Износостойкий сплав на основе никеля для нанесения износо- и коррозионно-стойких покрытий на конструкционные элементы микроплазменным или сверхзвуковым газодинамическим напылением


 


Владельцы патента RU 2476616:

Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) (RU)

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам на основе никеля, используемым в качестве материала для получения износо- и коррозионно-стойких покрытий на функционально- конструкционных элементах методом микроплазменного или сверхзвукового холодного газодинамического напыления. Сплав на основе никеля для нанесения износо- и коррозионно-стойких покрытий на конструкционные элементы микроплазменным или сверхзвуковым газодинамическим напылением содержит, мас.%: хром 14,0-18,0, молибден 33,0-40,0, железо 1,0-7,5, алюминий 1,0-7,3, германий 2,0-6,0, церий 0,2-0,4, иттрий 0,2-0,4, лантан 0,2-0,4, никель - остальное. Содержание интерметаллида Fe2Al5 в сплаве составляет 2-15%. Технический результат - создание сплава, обладающего работоспособностью в более широком интервале температур от -196°С до 950°С. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам на основе никеля, используемым в качестве исходного материала для получения износо- и коррозионно-стойких покрытий на функционально-конструкционных элементах методом микроплазменного или сверхзвукового холодного газодинамического напыления.

Известны сплавы системы Ni-Cr-Mo, в том числе:

- сплав на основе никеля, применяемый для нанесения защитных покрытий холодным газодинамическим напылением составом (мас.%): кобальт 0-35.0, хром 10,0-25,0, железо 0-35,0, алюминий 6,0-20,0, платина 0-35,0, гафний 1,0-5,0, кремний 1,0-6,0, ниобий 0-15,0, цирконий 0-5,0, тантал 0-5,0, рений 0-5,0, рутений 0-5,0, бор 0-1,0, углерод 0-0,2, иттрий 0,1-0,7, никель - остальное (US 2008/0038575 Al, С22С 19/05, 14.02.2008);

- аморфный, износостойкий наноструктурированный сплав для изготовления элементов оборудования и нагревательных систем, работающих в условиях трения и повышенного износа на основе никеля составом (мас.%): хром 18,0-40,0, молибден 30,0-40,0, церий 0,6-1,2, цирконий 3,0-5,0, карбид вольфрама 6,0-8,0, никель - остальное (РФ патент №2418091, С22С 45/04, 19/05, 18.11.2009);

- аморфный износостойкий наноструктурированный сплав на основе никеля системы Ni-Cr-Mo-WC-Ce составом (мас.%): хром 18,0-40,0, молибден 30,0-40,0, церий 0,6-1,2, цирконий 3,0-5,0, карбид вольфрама 6,0-8,0, остальное - никель (РФ патент №2418091, С22С 45/04, 19/05);

- аморфный прецизионный сплав для изготовления высокопрочных лент, волокон и микропроводов с большим коэффициентом тензочувствительности на основе никеля составом (% мас.): хром 10,0-20,0, молибден 25,0-40,0, кремний 6,0-7,5, бор 4,0-5,0, церий 0,8-1,5, остальное - никель (РФ патент №2219279 от 04.03.2002);

- высокопрочный аморфный сплав для изготовления микропроводов в стеклянной изоляции и тонких лент на основе никеля составом (мас.%): хром 10,0-40,0, молибден 25,0-42,0, кремний 0,6-6,0, бор 0,3-3,0, цирконий 1,2-5,0, церий, лантан, неодим или празеодим 0,1-1,8, иттрий 0,1-1,5, остальное - никель (US 7172661 от 06.02.2007).

Наиболее близким к заявляемому и взятым нами за прототип является сплав на основе никеля, применяемый для нанесения защитных покрытий холодным газодинамическим напылением составом (мас.%): кобальт 0-35,0, хром 10,0-25,0, железо 0-35,0, алюминий 6,0-20,0, платина 0-35,0, гафний 1,0-5,0, кремний 1,0-6,0, ниобий 0-15,0, цирконий 0-5,0, тантал 0-5,0, рений 0-5,0, рутений 0-5,0, бор 0-1,0, углерод 0-0,2, иттрий 0,1-0,7, никель - остальное (US 2008/0038575 Al, С22С 19/05, 14.02.2008).

Недостатком известного сплава является относительно узкий интервал рабочих температур в положительной и отрицательной областях за счет охрупчивания. В настоящее время существенно ужесточились требования к конструкционным элементам, работающим в экстремальных условиях эксплуатации при криогенных температурах (-196°С и ниже) и при повышенных и высоких (до 950°С). Известный сплав имеет диапазон рабочих температур от -50°С до 700°С. При более высоких и криогенных температурах происходит интенсивное разрушение материала.

Техническим результатом изобретения является создание сплава, обладающего работоспособностью в более широком интервале температур от -196°С до 950°С.

Технический результат достигается за счет того, что в сплав, содержащий никель, хром, железо, иттрий и алюминий, дополнительно введены молибден, германий, церий и лантан в следующем соотношении компонентов (мас.%):

хром 14,0-18,0

молибден 33,0-40,0

железо 1-7,5

алюминий 1-7,3

германий 2,0-6,0

церий 0,2-0,4

иттрий 0,2-0,4

лантан 0,2-0,4

никель - остальное,

при этом сплав содержит интерметаллид Fe2Al5 в количестве 2,0-15,0%.

Основанием для сплава является Р-фаза составом Cr18Mo42Ni40. С целью повышения верхнего предела интервала положительных рабочих температур в сплаве образуется интерметаллид системы Fe2Al5 с температурой плавления 1171°С в количестве 2,0-15,0%. Учитывая узкий интервал существования указанного интерметаллидного соединения, количество алюминия в нем должно быть в интервале от 53,0 до 55,0 мас.%. Снижение содержания хрома, молибдена и никеля не обеспечивает образования Р-фазы, что ведет к снижению положительных рабочих температур. Повышение содержания указанных элементов ведет к охрупчиванию сплава. Для исключения охрупчивания сплава в области криогенных температур, вводится дополнительная добавка германия в количестве 2,0-6,0%. Экспериментальные исследования показывают, что требуемый эффект расширения температурного диапазона наблюдается с введением указанных компонентов более 2,0%. При добавлении интерметаллида Fe2Al5 более 15,0% и Ge более 6,0% наблюдается повышение твердости и значительное охрупчивание сплава, что ведет к растрескиванию покрытий, получаемых на его основе, и делает его непригодным для дальнейшего использования.

В качестве рафинирующих добавок выступают Се, Y и La. Комплексное введение этих добавок, суммарное количество которых не должно превышать 1,0%, а соотношение между ними должно быть близким к 1:1:1, что обеспечивает удаление из прецизионного сплава кислорода, азота и водорода, так как Се, Y и La имеют наибольшее сродство к указанным компонентам соответственно.

Практическая реализация предлагаемого технического решения выполнялась по следующей схеме: выплавка исходного сплава методом прямого сплавления компонентов; дробление полученного слитка; нанесение покрытий из сплава методами микроплазменного и сверхзвукового холодного газодинамического напыления.

Выплавка сплава производилась в высокочастотном индукторе с рабочей частотой 440 кГц в алундовых тиглях №3 или №4 в атмосфере аргона. Последовательность введения шихтовых компонентов следующая:

(Ni+Cr)→Mo→(Fe+Al)→Ge→(Ce+Y+La).

Масса получаемых слитков 0,7-0,8 кг.

Дробление полученного слитка производилось последовательно на щековой дробилке до фракции 3-5 мм, а затем на дезинтеграторной установке типа ДЕЗИ-15 до фракции 20-100 мкм.

Нанесение покрытий из полученного таким образом порошка производилось двумя методами:

- сверхзвукового холодного газодинамического напыления на установке типа ДИМЕТ-3. Температура гетерофазного потока при напылении не превышала 130°С при скоростях частиц 660-825 м/с, что обеспечивает практически полное отсутствие пор в покрытии;

- микроплазменного напыления на установке типа УГНП 2/2250. Кратковременный нагрев напыляемого материала из-за кратковременного пребывания порошка в плазменной струе обеспечивает частичное проплавление порошка, что способствует высокой адгезии, одновременно не изменяя фазового состава.

Толщина покрытий, формируемых перечисленными способами, составляет 30-50 мкм, что обеспечивает требуемые эксплуатационные характеристики. Исследования микротвердости полученных покрытий проводились при помощи микротвердомера НаноСкан 3D. Результаты исследования приведены в таблице.

Для определения работоспособности покрытия в экстремальных условиях было проведено 8 циклов теплонагружения от -196°С до 950°С. Проведенные исследования показали, что воздействие как криогенных, так и высоких температур не изменяют характеристик покрытия, так как не приводят к фазовым превращениям.

Для определения износо- и коррозионно-стойкости проведены испытания коррозионного поведения сплава, нанесенного на некорродирующую в солевом растворе медную подложку в соответствии с ГОСТ 9.905-82. Образцы погружали в синтетическую агрессивную среду, где выдерживались в течение 40 часов при температуре 20±2°С. Результаты исследований приведены в таблице.

Как видно из таблицы, сплав под №2 обладает высокими эксплуатационными характеристиками, удовлетворяющими требованиям к материалам, работающим в экстремальных условиях.

1. Сплав на основе никеля для нанесения износо- и коррозионно-стойких покрытий на конструкционные элементы микроплазменным или сверхзвуковым газодинамическим напылением, содержащий хром, железо, алюминий и иттрий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит молибден, германий, церий, лантан при следующем соотношении компонентов, мас.%:

хром 14,0-18,0
молибден 33,0-40,0
железо 1,0-7,5
алюминий 1,0-7,3
германий 2,0-6,0
церий 0,2-0,4
иттрий 0,2-0,4
лантан 0,2-0,4
никель остальное,

при этом содержание интерметаллида Fe2Al5 в сплаве составляет 2-15%.

2. Сплав по п.1, отличающийся тем, что суммарное содержание иттрия, церия и лантана не превышает 1,0 мас.%.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способам нанесения покрытий, в частности антикоррозийных. .

Изобретение относится к области газодинамического напыления порошковых материалов и может быть использовано в машиностроении и других сферах производства для получения покрытий различного функционального назначения.

Изобретение относится к способам нанесения полимерных покрытий на поверхности изделий из металлов и сплавов и может быть использовано в медицине для покрытия поверхности имплантатов.

Изобретение относится к способу холодного газового напыления частиц разной твердости и/или вязкости и к устройству (11) для его реализации. .

Изобретение относится к технологии нанесения покрытий на поверхности чугунных изделий с использованием неорганического порошка и может быть использовано в различных отраслях машиностроения, в частности при восстановлении формы и размеров металлических деталей, изготовлении и ремонте изделий, требующих герметичности, повышенной коррозионной стойкости, жаростойкости и адгезионно-кргезионной прочности.

Изобретение относится к области получения покрытий, содержащих наночастицы, и может быть использовано при формировании лакокрасочных, радиопоглощающих, светоотражающих, защитных и других функциональных покрытий.
Изобретение относится к способу получения износостойкого композиционного наноструктурированного покрытия, обеспечивающего высокую твердость и износостойкость поверхности деталей и узлов пар трения, работающих в особо жестких условиях эксплуатации.

Изобретение относится к нанесению покрытий, которые содержат небольшие количества газообразных примесей, в частности кислорода, и предназначены для защиты от коррозии, от износа или для применения в системах управления температурой.
Изобретение относится к подходящему для обжига сплаву для получения облицованной керамикой реставрации зуба, например, для получения коронок, мостов, пломб и других зубных протезов, которые должны быть снабжены керамической поверхностью, а также к соответствующей облицованной реставрации зуба.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным сплавам на основе никеля, предназначенным для производства методом направленной кристаллизации деталей высокотемпературных газовых турбин ГТД и ГТУ, преимущественно монокристаллических рабочих, сопловых лопаток и других элементов горячего тракта турбины, длительно работающих при температурах, превышающих 1000°С.

Изобретение относится к способу нанесения теплобарьерного покрытия на основе диоксида циркония на монокристаллический жаропрочный сплав на основе никеля, имеющего следующий состав, мас.%: 3,5-7,5 Сr, 0-1,5 Мо, 1,5-5,5 Re, 2,5-5,5 Ru, 3,5-8,5 W, 5-6,5 Al, 0-2,5 Ti, 4,5-9 Та, 0,08-0,12 Hf, 0,08-0,12 Si, остальное до 100% составляют Ni и неизбежные примеси.
Изобретение относится к коррозионно-стойким сплавам на основе никеля, предназначенным для изготовления цельнолитых и металлокерамических зубных коронок и мостовидных протезов.

Изобретение относится к области металлурги, в частности к сплавам на основе никеля, и его применению. .
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при изготовлении деталей горячего тракта газотурбинных двигателей, таких как направляющие аппараты компрессоров и сопловые аппараты турбин из деформированных и литых жаропрочных никелевых сплавов.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к суперсплаву на никелевой основе с упрочняющей гамма-штрих-фазой, и может быть использовано в горячих компонентах, таких как лопатки турбин.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным сплавам с литой структурой на хромоникелевой основе с карбидным упрочнением, и может быть использовано при создании установок высокотемпературного пиролиза для нефтехимических отраслей промышленности.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к жаропрочным хромоникелевым сплавам с аустенитной структурой, и может быть использовано при изготовлении отливок для коллекторов и реакционных труб печей риформинга крупнотоннажных агрегатов аммиака и метанола с температурой эксплуатации до 1200°С и давлении до 50 атм.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к литейным никелевым жаропрочным сплавам для изготовления деталей, например лопаток газотурбинных двигателей, работающих при температурах 1000°С и выше в условиях сложного комплексного нагружения, отливаемых методом направленной кристаллизации и имеющих направленную столбчатую или монокристальную структуру.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к монокристаллическим суперсплавам на основе никеля
Наверх