Присадочный материал на основе никеля
Владельцы патента RU 2602570:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU)
Изобретение относится к сплавам на основе никеля в качестве присадочного материала, предназначенного для изготовления деталей и узлов наиболее высокотемпературных зон горячего тракта перспективных двигателей, длительно работающих при температурах до 1200°С. Присадочный материал на основе никеля для сварки жаропрочных никелевых сплавов, упрочняемых химико-термической обработкой, содержит, мас. %: углерод 0,05-0,1; хром 22-24; молибден 5,0-7,0; вольфрам 5,0-7,7; кобальт 13,0-16,0; тантал и/или ниобий 3,0-4,0; титан 1,8-2,0; марганец 0,1-0,5; кремний 0,1-0,3; магний 0,01-0,05; неодим, и/или празеодим, и/или диспрозий 0,03-0,06; никель - остальное. Повышается стойкость против образования горячих трещин при сварке жаропрочных никелевых сплавов, а также повышается ударная вязкость и жаропрочность после упрочняющей химико-термической обработки. 2 н.п. ф-лы, 1 табл., 1 пр.
Изобретение относится к сплавам на основе никеля в качестве присадочного материала, выполненным в виде «лапши» или в виде сварочной проволоки для ручной аргонодуговой сварки (АрДЭС) и автоматической аргонодуговой сварки (ААрДЭС), предназначенного для изготовления деталей и узлов наиболее высокотемпературных зон горячего тракта перспективных двигателей, длительно работающих при температурах до 1200°С.
Присадочные материалы рекомендуются для сварки с разделкой кромок, а также при необходимости изменения формы и состава шва, технологических, механических свойств и структуры сварных соединений. Сварочные проволоки по принципу их упрочнения можно разделить на две группы: из гомогенных сплавов, легированные большим количеством кобальта и тугоплавкими металлами, - хромом, вольфрамом, молибденом, упрочняющими твердый раствор, работоспособные до температуры 1100°С; дисперсионно-твердеющие, при сварке которыми наплавленный металл, содержащий алюминий и титан, после старения упрочняется в результате выделения γ′-фазы (Ni3Al, Ti), температуры эксплуатации которых не превышают 1000°С.
В настоящее время в России разработаны жаропрочные свариваемые никелевые сплавы нового класса, легированные кобальтом, тугоплавкими металлами и титаном, упрочнение которых достигается в процессе высокотемпературной химико-термической обработки (азотирования), работоспособные до температуры 1200°С, за счет образования дисперсных частиц нитридов титана. Для расширения возможностей использования новых материалов в перспективных изделиях авиационной, энергетической техники стоит задача разработки состава присадочного материала, сочетающего высокие характеристики длительной и кратковременной прочности, ударной вязкости и стойкости против образования горячих трещин при сварке, с рабочей температурой до 1200°С.
Известен гомогенный жаропрочный Ni-Cr-Mo присадочный материал (патент SU 1520871, опубл. 30.06.1994 г.) состава, мас. %:
| углерод | 0,005-0,05 |
| хром | 10-20 |
| молибден | 13-20 |
| вольфрам | 0,5-10 |
| ниобий | 0,2-1,0 |
| церий | 0,001-0,01 |
| иттрий | 0,002-0,01 |
| магний | 0,003-0,07 |
| никель | остальное |
Известный сплав с рабочей температурой до 1000°С на основе никеля, имеет высокую стойкость к образованию горячих трещин при сварке - Акр=5,0-7,2 мм/мин, жаропрочность - 61000 100=30 МПа.
Известен гомогенный свариваемый сплав и присадочный материал (патент US 6302649, опубл. 16.10.2001 г.) состава, мас. %:
| углерод | 0,09 |
| хром | 18-22 |
| кобальт | 10 |
| сумма тугоплавких элементов | 15-28 |
| алюминий | 0,5-1,5 |
| кремний | 0,2-0,45 |
| марганец | 0,4-1,2 |
| цирконий | 0,06 |
| бор | 0,015 |
| никель | остальное |
Известный сплав с рабочей температурой до 1100°С имеет жаропрочность - 61093 100=29 МПа.
Известен гомогенный сварочный электрод из Ni-Cr-Mo сплава (патент FR 2786419, опубл. 13.06.2000 г.), используемый при ремонте узлов двигателя, состава, мас. %:
| углерод | <0,02 |
| вольфрам | 0,1-5,0 |
| молибден | 8,0-12,0 |
| сумма молибдена и вольфрама | >12 |
| хром | 20-24 |
| алюминий | 0,03-0,4 |
| магний | 0,004-0,04 |
| никель | остальное |
Известный сплав с рабочей температурой до 1000°С с недостаточно высокой жаропрочностью (61000 100=25 МПа) и высокой ударной вязкостью (KCU+20=166 Дж/см2) без термической обработки.
Известен свариваемый, слабостареющий сплав на основе никеля (патент RU 2285059, опубл. 10.10.2006 г.) для изготовления жаровых труб камер сгорания, корпусов, кожухов и других узлов ГТД состава, мас. %:
| углерод | 0,03-0,1 |
| хром | 20-32 |
| молибден | 10,5-18 |
| вольфрам | 0,3-3 |
| ниобий | 2,1-4,5 |
| алюминий | 1,0-1,8 |
| ванадий | 0,1-1,0 |
| лантан | 0,001-0,10 |
| магний | 0,001-0,05 |
| бор | 0,0001-0,006 |
| церий | 0,001-0,06 |
| никель | остальное |
Известный сплав работает при температурах до 1000°С. Имеет недостаточно высокую жаропрочность - 61000 100=25 МПа и высокую стойкость к образованию горячих трещин при сварке - Акр=5,0 мм/мин.
Известен дисперсионно-твердеющий присадочный материал (патент SU 1628369, опубл. 30.07.1994 г.) для сварки никелевых сплавов состава, мас. %:
| углерод | 0,21-0,6 |
| молибден | 5,5-9,5 |
| вольфрам | 4-7 |
| марганец | 0,5-3,0 |
| хром | 6-11 |
| кобальт | 8-12 |
| ниобий | 3,6-6,5 |
| тантал | 0,05-1,5 |
| алюминий | 2,6-4,0 |
| титан | 0,1-0,8 |
| церий | 0,001-0,08 |
| иттрий | 0,02-0,3 |
| бор | 0,002-0,08 |
| магний | 0,01-0,1 |
| никель | остальное |
Известный присадочный материал работает длительно при температурах до 950°С. Обладает повышенными значениями жаропрочности (6950 100=50 МПа), но низкой стойкостью против растрескивания сварных соединений (Акр=2,7-3,1 мм/мин).
Все вышеуказанные гомогенные и дисперсионно-твердеющие свариваемые сплавы и присадочные материалы имеют рабочие температуры не более 1100°С, которые в настоящее время являются заниженными относительно требований к материалам для перспективных изделий авиационной техники. Повышение рабочих температур деталей из жаропрочных никелевых сплавов на 100-150°С достигается путем упрочнения методом химико-термической обработки.
Известен свариваемый Ni-Cr-Co сплав (патент RU 2283361, опубл. 10.09.2006 г.), упрочняемый химико-термической обработкой (азотирование) для изготовления жаровых труб камер сгорания, корпусов, кожухов и других узлов ГТД состава, мас. %:
| углерод | 0,01-0,06 |
| хром | 24-34 |
| никель | 20-35 |
| вольфрам | 7-14 |
| молибден | 0,5-5,0 |
| титан | 1,3-3,5 |
| алюминий | 0,03-3,0 |
| магний | 0,003-0,08 |
| лантан | 0,003-0,1 |
| бор | 0,0003-0,008 |
| церий | 0,0003-0,06 |
| кобальт | остальное |
Известный сплав работоспособен до температуры 1200°С. Имеет высокую жаропрочность - 61000 100=55-70 МПа, 61200 100=19-23 МПа, но низкую стойкость к образованию горячих трещин при сварке - А кр=3,1 мм/мин, низкую ударную вязкость - KCV+20=13-19 Дж/см2 и низкую пластичность - δ+20=8-10%.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является присадочный материал (патент RU 2373038, опубл. 20.11.2009 г.), применяемый для сварки никелевых сплавов, упрочняемых химико-термической обработкой (азотирование), состава, мас. %:
| углерод | 0,05-0,1 |
| хром | 21-24 |
| молибден | 6,5-7,5 |
| вольфрам | 6,5-7,5 |
| титан | 1,7-2,1 |
| кобальт | 10,5-12,5 |
| кремний | 0,1-0,3 |
| марганец | 0,1-0,5 |
| магний | 0,01-0,05 |
| лантан | 0,01-0,05 |
| никель | остальное |
Однако вышеуказанный присадочный материал имеет недостаточно высокий предел кратковременной (61200 в=70 МПа) и длительной прочности сварных соединений (61200 100=14 МПа) и невысокую стойкость против образования горячих трещин (А кр≤4,0 мм/мин).
Технической задачей и техническим результатом изобретения является разработка присадочного материала на основе никеля, обеспечивающего повышение стойкости против образования горячих трещин при сварке жаропрочных никелевых сплавов, а также повышение ударной вязкости и жаропрочности после упрочняющей химико-термической обработки (азотирование). Состав присадочного материала должен обеспечить:
- прочность сварных соединений - (0,8-0,9) от прочности основного материала при температурах 1100-1200°С;
- KCV+20≥20 Дж/см2;
- стойкость против образования горячих трещин Vкр≥4,0 мм/мин;
- длительную прочность сварных соединений при температурах 1100, 1200°С (σ1100, 1200 100) - не менее 0,8 от прочности основного материала.
Для достижения поставленного технического результата предложен сплав на основе никеля, используемый для сварки жаропрочных никелевых сплавов, упрочняемых химико-термической обработкой, в качестве присадочного материала, содержащий углерод, хром, молибден, вольфрам, кобальт, титан, марганец, кремний, магний. Сплав дополнительно содержит тантал и/или ниобий, а также неодим, и/или празеодим, и/или диспрозий при следующем соотношении компонентов, мас. %:
| углерод | 0,05-0,1 |
| хром | 22,0-24,0 |
| молибден | 5,0-7,0 |
| вольфрам | 5,0-7,7 |
| кобальт | 13,0-16,0 |
| тантал и/или ниобий | 3,0-4,0 |
| титан | 1,8-2,0 |
| марганец | 0,1-0,5 |
| кремний | 0,1-0,3 |
| магний | 0,01-0,05 |
| неодим, и/или празеодим, и/или | |
| диспрозий | 0,03-0,06 |
| никель | остальное |
По результатам проведенных исследований авторами установлено следующее.
Хром является важным элементом в жаропрочных никелевых сплавах, упрочняющим твердый раствор, заявленное содержание повышает механические и эксплуатационные свойства, но одной из главных его функций является защита сплавов от газовой коррозии.
Вольфрам, один из наиболее эффективных упрочнителей твердого раствора жаропрочных сплавов, имея большой атомный радиус, тормозит движение дислокаций и вакансий при высоких температурах, заявленное содержание способствует снижению деформационной способности сплавов, оказывает положительное влияние на прочностные характеристики жаропрочных никелевых сплавов.
Молибден упрочняет твердый раствор, заявленное содержание повышает жаропрочность никелевых сплавов, а также способствует подавлению образования вторичных границ и повышает стойкость против образования горячих трещин.
Тантал, имея атомный радиус, близкий по размеру к атомному радиусу вольфрама, также тормозит движение дислокаций и вакансий и способствует снижению деформационной способности сплавов, оказывает положительное влияние на прочностные характеристики жаропрочных никелевых сплавов.
Заявленное содержание количества данного элемента в присадочном материале приводит к одновременному повышению как прочностных характеристик, так и термической стабильности фаз с замедлением диффузионных процессов по границам зерен.
Заявленное содержание ниобия заметно упрочняет твердый раствор, замедляет диффузионные процессы, благоприятно влияет на уменьшение зональной ликвации, в результате возрастают стабильность и жаропрочность сплавов. Наряду с титаном может образовывать устойчивые нитриды при химико-термической обработке, повышая жаропрочность сплавов.
Заявленное содержание кобальта повышает жаропрочность никелевых сплавов в области температур свыше 1000°С, а также приводит к заметному увеличению пластических свойств.
В металлургии жаропрочных никелевых сплавов известна положительная роль легирования РЗМ, заключающаяся в повышении когезивной прочности границ зерен и фаз, в раскислении и модифицировании расплавов. Широко известно положительное влияние РЗМ на механические, технологические и служебные свойства металлов. Введение РЗМ оказывает положительное воздействие на формирование сварного шва. Растущие в направлении отвода тепла дендриты с близкой кристаллографической ориентацией образуют крупные кристаллиты, часто смыкающиеся по продольной оси шва, что способствует разрушению по этой зоне. РЗМ образуют неметаллические включения на некотором расстоянии от растущих столбчатых кристаллов, которые могут являться дополнительными центрами кристаллизации. Чем больше таких частиц, тем меньше зона столбчатых кристаллов и меньше их размеры, и больше зона равноосных зерен в центре сварного шва. Легирование сварочной проволоки для сварки высокожаропрочных сплавов редкоземельными элементами является весьма актуальным.
Кроме вышеуказанного воздействия РЗМ заявленное содержание неодима вводится для повышения окалиностойкости, свойства, необходимого для материала, работающего при высоких температурах, заявленное содержание празеодима - для улучшения технологичности при обработке давлением, что очень важно при изготовлении сварочной проволоки волочением. Атомный радиус диспрозия значительно больше, чем у лантана, который входит в состав известного сплава. Заявленное содержание диспрозия эффективно тормозит диффузионные процессы в металле. Поэтому неодим, диспрозий и празеодим являются весьма полезными элементами в жаропрочных сплавах.
Отклонение содержания элементов в присадочном материале от заявленного содержания приводит к снижению технологических и механических характеристик сварных соединений сплавов, упрочняемых химико-термической обработкой (азотирование), предназначенного для изготовления деталей и узлов наиболее высокотемпературных зон горячего тракта перспективных двигателей, длительно работающих при температурах до 1200°С.
Примеры осуществления
В лабораторных условиях были выплавлены три вакуумные индукционные плавки предлагаемого сплава (присадочного материала) и одна плавка сплава-прототипа. Заливку металла плавок проводили в круглые металлические изложницы. Полученные слитки ковали на сутунки, которые затем прокатывали в горячую на листы толщиной 2 мм, отжигали, а затем вхолодную прокатывали на листы толщиной 1,2 мм.
Поскольку на холоднокатаных листах из предлагаемого сплава отсутствуют трещины и иные нарушения целостности материала, а состояние их поверхности отвечает всему комплексу требований, предъявляемых к холоднокатаному листу из жаропрочных сплавов на никелевой основе, закономерно заключение о его хорошей деформируемости.
Из листов нарезали «лапшу», которую использовали в качестве присадочного металла при ручной аргонодуговой сварке жаропрочных никелевых сплавов. Испытания технологической прочности, склонности к образованию горячих трещин при сварке проводили в отожженном состоянии. Сварные соединения для механических испытаний подвергали химико-термической обработке (азотированию), затем из них изготавливали образцы.
Химические составы присадочных материалов и результаты испытаний свойств представлены в таблице 1. Данные свидетельствуют о том, что предлагаемый сплав имеет лучший, чем у прототипа технологический показатель свариваемости (Vкp) до 20%. Позволит повысить механические характеристики сварных соединений по сравнению с прототипом: кратковременную прочность сварных соединений при температуре 1200°С на 10%, жаропрочность на 20%, ударную вязкость при +20°С на 30%.
Таким образом, применение предлагаемого присадочного материала для сварки сплавов, упрочняемых химико-термической обработкой (азотированием), позволит снизить вес изделий за счет повышения прочности, а также увеличить их ресурс, температуру эксплуатации, повысить технологическую прочность и надежность наиболее высокотемпературных сварных конструкций горячего тракта двигателя (экраны, жаровые трубы и другие элементы камер сгорания).
1. Сплав на основе никеля, используемый для сварки жаропрочных никелевых сплавов, упрочняемых химико-термической обработкой, в качестве присадочного материала, содержащий углерод, хром, молибден, вольфрам, кобальт, титан, марганец, кремний, магний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит тантал и/или ниобий, а также неодим, и/или празеодим, и/или диспрозий при следующем соотношении компонентов, мас. %:
| Углерод | 0,05-0,1 |
| Хром | 22-24 |
| Молибден | 5,0-7,0 |
| Вольфрам | 5,0-7,7 |
| Кобальт | 13,0-16,0 |
| Тантал и/или ниобий | 3,0-4,0 |
| Титан | 1,8-2,0 |
| Марганец | 0,1-0,5 |
| Кремний | 0,1-0,3 |
| Магний | 0,01-0,05 |
| Неодим, и/или празеодим, и/или | |
| диспрозий | 0,03-0,06 |
| Никель | остальное |
2. Изделие из сплава на основе никеля, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п. 1.
