Элинварный сплав с высоким модулем упругости и изделие, выполненное из него
Владельцы патента RU 2605732:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU)
Изобретение относится к области металлургии, а именно к элинварным сплавам, и может быть использовано при изготовлении деталей упругочувствительных элементов точного приборостроения, силовых пружин и конструкционных деталей специального назначения. Дисперсионно-твердеющий сплав с малым температурным коэффициентом модуля нормальной упругости с высоким модулем упругости содержит, мас. %: кобальт 40-45; никель 14-17; ниобий 4,5-6,5; рений 1,5-2,5; молибден 0,1-2,0; цирконий 0,5-2,5; алюминий 0,1-1,5; титан 1,5-3,5; медь 0,1-1,5; бор 0,001-0,03; неодим 0,001-0,05; церий 0,01-0,1; лантан 0,01-0,1; железо - остальное. Сплав характеризуется высокими характеристиками предела прочности, модуля упругости. 2 н.п. ф-лы, 3 табл., 5 пр.
Изобретение относится к области машиностроения и может использоваться при изготовлении деталей упругочувствительных элементов точного приборостроения, силовых пружин и конструкционных деталей специального назначения. Эти материалы нашли широкое применение в приборостроении для гражданской авиационной техники.
Объектом изобретения являются элинварные сплавы. Элинварными называют сплавы, обладающие в определенном интервале температур особыми свойствами: близкими к нулевому значению температурным коэффициентом модуля упругости (ТКМУ) и температурным коэффициентом частоты. Использование элинварных сплавов для изготовления упругочувствительных элементов позволяет снизить температурную чувствительность аппаратуры, что повышает точность измерений, и при этом позволяет исключить необходимость термостатирования аппаратуры, что упрощает конструкцию и эксплуатацию изделий и приборов.
Развитие авиационной техники в настоящее время требует создания новых материалов с повышенными значениями модуля упругости и расширенным температурным интервалом стабильности для упругочувствительных элементов - датчиков высокого давления, индикаторов и сигнализаторов АСУ и ЭСУ систем жизнеобеспечения, взрыво- и молниезащиты.
В 1980-1990 г.г. для авиационной промышленности были разработаны серии элинварных сплавов (ЭП920, ВУС22 и др.), обладающих постоянным модулем упругости на уровне Ε=160-170 ГПа в диапазоне температур от -196 до +400°С, предназначенных для изготовления упруго-чувствительных элементов точного приборостроения, силовых пружин и конструкционных деталей. Эти материалы нашли широкое применение в приборостроении для гражданской и военной авиационной техники.
Однако для создаваемых новых приборов, отвечающих требованиям перспективных образцов гражданской авиационной техники, требуется повышенный модуль упругости не менее 190 ГПа и расширение диапазона рабочих температур элинварных сплавов от -196 до +500°С.
Известен аналог дисперсионно-твердеющий сплав (а.с. 554703, МПК С22С 38/14, опубл. 26.06.1978 г.), при следующем соотношении компонентов, масс. %:
| Никель | 34-38; |
| Кобальт | 16,2-18,5; |
| Вольфрам | 6,0-8,0; |
| Алюминий | 0,3-0,8; |
| Титан | 2,3-3,0; |
| Марганец | 0,2-0,8; |
| Бор | 0,001-0,05; |
| Церий | 0,001-0,05; |
| Кремний | 0,4-1,4; |
| Лантан | 0,01-0,2; |
| Железо | остальное. |
Сплав является дисперсионно-твердеющим с малым температурным коэффициентом модуля нормальной упругости, используемым для изготовления конструкционных деталей специального назначения. Сплав обладает достаточно высокими для элинварных сплавов значениями предела прочности 1470 МПа, однако недостатком данного сплава является низкий уровень модуля упругости - 170 ГПа и недостаточно высокий интервал рабочих температур от -60 до +400°С.
Зарубежным аналогом для упруго-чувствительных элементов (УЧЭ) приборов широко применяется элинварный сплав Incoloy 903, по основным характеристикам уступающий отечественному сплаву ЭП920 (Патент США 3157495, МПК С22С 38/00, опубл. 17.11.1964 г.) со следующим химическим составом, масс. %:
| Углерод | 0,02-0,05; |
| Никель | 36-38; |
| Кобальт | 13-16; |
| Ниобий | 2-3; |
| Алюминий | 0,03-0,09; |
| Железо | остальное. |
Недостатком указанного сплава является низкий уровень модуля упругости - 146 ГПа и недостаточно высокий температурный интервал рабочих температур от -60°С до +310°С.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является дисперсионно-твердеющий сплав с малым температурным коэффициентом модуля нормальной упругости (патент РФ 1438266, МПК С22С 38/14, опубл. 30.05.1994 г.) при следующем соотношении компонентов, масс. %:
| Никель | 35-38; |
| Кобальт | 8-9,5; |
| Хром | 3,5-5,5; |
| Вольфрам | 5,0-6,5; |
| Алюминий | 0,7-1,4; |
| Титан | 1,2-2,2; |
| Ниобий | 3,0-4,3; |
| Ванадий | 0,1-2,0; |
| Бор | 0,001 -0,06; |
| Церий | 0,001-0,1; |
| Лантан | 0,01-0,2; |
| Железо | остальное. |
Сплав обладает прочностью 882 МПа, модулем упругости 172 ГПа при диапазоне рабочих температур от -196 до +450°С, что является недостатком для использования в современных изделиях авиационной и специальной техники.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение предела прочности, модуля упругости и интервала рабочих температур сплава.
Для достижения поставленного технического результата предлагается дисперсионно-твердеющий сплав с малым температурным коэффициентом модуля нормальной упругости с высоким модулем упругости, содержащий кобальт, никель, ниобий, алюминий, титан, бор, церий, лантан, железо и дополнительно содержащий рений, цирконий, молибден, медь и неодим при следующем соотношении компонентов, масс. %:
| Кобальт | 40-45; |
| Никель | 14-17; |
| Ниобий | 4,5-6,5; |
| Рений | 1,5-2,5; |
| Молибден | 0,1-2,0; |
| Цирконий | 0,5-2,5; |
| Алюминий | 0,1-1,5; |
| Титан | 1,5-3,5; |
| Медь | 0,1-1,5; |
| Бор | 0,001-0,03; |
| Неодим | 0,001-0,05; |
| Церий | 0,01-0,1; |
| Лантан | 0,01-0,1; |
| Железо | остальное, |
и изделие, выполненное из этого сплава.
Верхняя температурная граница аномальной стабильности модуля упругости (максимальное значение рабочей температуры сплава) в элинварных сплавах определяется температурой Кюри. Частичное замещение никеля кобальтом в соотношении (CNi + 0,7CCo)% ≅ 46% при легировании в указанных пределах приводит к повышению температуры Кюри основы сплава выше 650°С, что обеспечивает возможность дополнительного легирования системы с целью повышения механических свойств и модуля упругости. Поскольку модуль упругости подчиняется правилу аддитивности, основную роль в его увеличении играет выделение упрочняющих фаз типа γ′-фазы и фазы Лавеса. Легирование системы цирконием, титаном и алюминием в заявленных интервалах обеспечивает полное связывание никеля в фазу типа Ni3(Nb,Al,Ti,Zr), выводя его из твердого раствора, что компенсирует снижение температуры Кюри системы при их введении. Дополнительное легирование молибденом способствует стабилизации твердого раствора и выделению упрочняющей фазы Лавеса типа (Fe,Ni)2(Nb,Mo), что обеспечивает комплексное упрочнение сплава. Компенсация негативного влияния на технологическую пластичность высокого содержания циркония и γ′-образующих элементов достигается введением рения в указанных пределах, обеспечивающего повышение пластичности композиции и стабилизацию температуры точки Кюри в области температур выше 550°С. Медь в заявленных пределах обеспечивает сверхвысокую стабилизацию температурного коэффициента линейного расширения, что позволяет применять данный сплав и в качестве инварного сплава.
Бор вводится в качестве модифицирующего элемента для повышения деформируемости сплава, а введение редкоземельных элементов (неодима, церия и лантана) в указанном соотношении обеспечивает получение металла высокой чистоты по неметаллическим включениям, в т.ч. по точечным и строчечным оксидам и нитридам.
Примеры осуществления изобретения
Шихтовую заготовку из предлагаемого сплава различных составов и сплава-прототипа, выплавляли из чистых шихтовых материалов в вакуумной индукционной печи с тиглем из основной футеровки.
Содержание легирующих элементов, газов, примесей, таких как марганец, кремний, сера и фосфор определяли по стандартным методикам.
Далее после механической обработки сплава проводили переплав полученных электродов в вакуумной дуговой печи с получением слитков элинварного сплава. Из полученных слитков сплава отбирали стружку на химический анализ. Составы предлагаемого сплава и сплава-прототипа приведены в таблице 1.
Затем после механической обработки слитки сплава подвергали горячей деформации с получением кованых прутков диаметрами 16 мм. Далее полученные кованые прутки подвергали термообработке и изготавливали образцы для механических испытаний на растяжение с определением модуля упругости в диапазоне рабочих температур сплава, а также проводили исследование чистоты металла по неметаллическим включениям.
Содержание легирующих элементов, газов и примесей определяли по ГОСТ 12351, ГОСТ 12352, ГОСТ 12353, ГОСТ 12354, ГОСТ 12355, ГОСТ 12356, ГОСТ 22536.7, ГОСТ 12349, ГОСТ 12344, ГОСТ 12345 и ГОСТ 17745.
Механические свойства предлагаемого сплава с различным соотношением компонентов и сплава-прототипа определяли на стандартных образцах по ГОСТ 1497, ГОСТ 9651 и ГОСТ 11150.
Оценку неметаллических включений на шлифах производили методом сравнения с эталонными шкалами в соответствии с ГОСТ 1778, метод Ш4.
Свойства предлагаемого сплава с различным соотношением компонентов и сплава-прототипа, полученных по одной и той же технологической схеме, приведены в таблице 2 и 3.
Из таблицы 2 видно, что механические свойства предлагаемого сплава выше, чем свойства сплава-прототипа: по пределу прочности при 20°С - на 26-27%, по модулю упругости при 20°С - на 9-10%, по интервалу рабочих температур - на 10%.
1. Дисперсионно-твердеющий сплав с малым температурным коэффициентом модуля нормальной упругости, содержащий кобальт, никель, ниобий, алюминий, титан, бор, церий, лантан, железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит рений, цирконий, молибден, медь и неодим при следующем соотношении компонентов, мас. %:
| Кобальт | 40-45 |
| Никель | 14-17 |
| Ниобий | 4,5-6,5 |
| Рений | 1,5-2,5 |
| Молибден | 0,1-2,0 |
| Цирконий | 0,5-2,5 |
| Алюминий | 0,1-1,5 |
| Титан | 1,5-3,5 |
| Медь | 0,1-1,5 |
| Бор | 0,001-0,03 |
| Неодим | 0,001-0,05 |
| Церий | 0,01-0,1 |
| Лантан | 0,01-0,1 |
| Железо | остальное |
2. Изделие, выполненное из дисперсионно-твердеющего сплава с малым температурным коэффициентом модуля нормальной упругости, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п. 1.
