Жаропрочный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из этого сплава

Жаропрочный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из этого сплава

Реферат

Изобретение относится к области металлургии жаропрочных свариваемых сплавов на основе никеля системы Ni-Cr-Mo и изделий, выполняемых из этих сплавов для авиационной техники, машиностроения и других отраслей народного хозяйства и может быть использовано для изготовления жаровых тру6, корпусов, кожухов, экранов и других сварных узлов и деталей, работающих в области температур 20-1000°С.

Создание сплава, работоспособного во всем интервале температур от 20 до 1000°С и предназначенного для широкого круга сварных узлов и деталей, работающих в широком диапазоне условий эксплуатации и, соответственно, предъявляющих и различные требования к материалу, позволяет унифицировать и сократить количество сплавов в изделии, но одновременно требует от предлагаемого сплава целого ряда свойств на высоком уровне для материалов на никелевой основе.

Основными требованиями, предъявляемыми к такому сплаву, является сочетание для рабочих температур 20-1000°С высоких показателей прочности, пластичности, термостойкости и жаростойкости при хороших показателях свариваемости и деформируемости.

Известны сплавы на никелевой основе следующего химического состава (мас.%):

1. Хром 4÷16

Молибден 9÷20

Алюминий 0,2÷1,0

Титан 1÷4

Железо <10

Углерод <0,1

Ниобий <6 и/или тантал <12

Титан +¹/₂ ниобия + ¹/₄ тантала - 2÷5

Никель - остальное

(Заявка Японии №6004900 Бюллетень «Изобретения стран мира» №9-1996 г.).

2. Углерод - max 0,10

Хром - 16,0÷24,0

Молибден - 7÷12

Ниобий - 2÷6

Алюминий - 0÷1

Титан - 0,5÷2,5

Бор - max 0,02

Кобальт - max 5

Вольфрам - max 4

Цирконий - max 0,5

Кремний - max 1

Фосфор - max 0,03

Сера - max 0,03

Медь - 0-3

Железо - max 20

Азот - max 0,04

Марганец - max 5

Никель - остальное

(Патент США №5.556.594)

Данные сплавы имеют заниженные, относительно требований к материалам авиационной техники, значения характеристик пластичности (кратковременной, длительной и технологической) и свариваемости.

Вместе с тем высокая легированность сплавов элементами с высоким числом электронных вакансий ведет к выделению в процессе эксплуатации топологических плотноупакованных фаз окручивающих материал.

Перечисленные факторы существенно повышают трудоемкость изготовления жаровых труб, корпусов, кожухов, экранов и других сварных узлов и деталей из данных сплавов, а также снижают их надежность и работоспособность в эксплуатации.

Наиболее близким по составу и назначению к предлагаемому сплаву является сплав на основе никеля следующего химического состава (мас.%):

Углерод - 0,05÷0,10

Хром - 26,0÷30,0

Молибден - 6,0÷10,0

Ниобий - 1,5÷4,5

Алюминий - 0,8÷2,0

Бор - 0,003÷0,01

Магний - 0,005÷0,03

Иттрий - 0,005÷0,03

Лантан - 0,01÷0,10

Никель - остальное

(патент РФ №1746733)

Данный сплав имеет высокие значения характеристик пластичности и свариваемости, обладает достаточной структурной стабильностью и не склонен к выделению топологических плотноупакованных фаз.

Вместе с тем, для изделий ГТД, таких как сварные корпуса, кожуха и т.д., требуются более высокие характеристики прочности (как кратковременной, так и длительной) и пластичности.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка жаропрочного сплава на основе никеля и изделий из него, сочетающего для рабочих температур 20-1000°С высокие показатели прочности, пластичности, термостойкости и жаростойкости при хороших значениях свариваемости и деформируемости.

Для решения поставленной задачи предлагается жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, молибден, алюминий, ниобий, бор, лантан, магний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит вольфрам, ванадий и церий, при следующем соотношении компонентов (мас.%):

Углерод - 0,03÷0,10

Хром - 20,0÷32,0

Молибден - 10,5÷18,0

Ниобий - 2,5÷4,5

Алюминий - 1,0÷1,8

Вольфрам - 0,3÷3,0

Ванадий - 0,1÷1,0

Бор - 0,0001÷0,006

Магний - 0,001÷0,05

Лантан - 0,001÷0,10

Церий - 0,001÷0,06

Никель - остальное

и изделие, выполненное из него.

У предлагаемого сплава значительная доля прочности обеспечивается за счет образования термически стабильных зон предвыделений упрочняющих фаз. Из числа легирующих элементов в образовании таких зон ведущая роль принадлежит хрому и молибдену, поэтому повышение содержания молибдена в предлагаемом сплаве позволяет существенно увеличить количество предвыделений и тем самым повысить прочность сплава. Поскольку между предвыделениями и матрицей отсутствует четкая фазовая граница, данный вид упрочнения не приводит к сколько-нибудь значительному падению пластичности.

Введение вольфрама увеличивает силы межатомной связи в матрице, что повышает жаропрочные свойства сплава, прежде всего в верхнем районе рабочих температур.

Ванадий улучшает свариваемость сплава и его жаропрочные свойства при температурах до 800-850°С. Введение церия снижает дефектность границ зерен, посредством чего улучшается весь комплекс его механических свойств, и повышает жаростойкость материала.

В отличие от иттрия, который входит в состав γ фазы прототипа, церий располагается преимущественно по границам зерен и тем самым более эффективно снижает степень их дефектности, а также способствует образованию окислов с лучшими жаростойкими свойствами.

Использование предлагаемого сплава в качестве материала жаровых тру6, корпусов, кожухов, экранов и других сварных узлов и деталей изделий авиационной техники, машиностроения и других отраслей народного хозяйства позволит снизить их вес за счет увеличения удельной прочности, увеличить ресурс и надежность и существенно сократить номенклатуру материалов, используемых при изготовлении изделий.

ПРИМЕР ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ:

В лабораторных условиях были выплавлены четыре вакуумные индукционные плавки предлагаемого сплава и сплава-прототипа. В таблице 1 представлены химические составы сплавов, где примеры 1-3 предлагаемый состав, пример 4 - сплав-прототип.

Заливка металла плавок производилась в круглые металлические изложницы. Полученные слитки ковались на сутунки, которые затем прокатывались вгорячую на листы толщиной 2 мм с температуры нагрева 1120°С.

Горячекатаные листы отжигались при температуре 1020°С, затем в холодную прокатывались на листы толщиной 1,2 мм.

Из холоднокатаных листов изготовлялись образцы для испытания на механические свойства, жаростойкость и свариваемость.

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.

Результаты испытаний свойств, представленные в таблице 2, свидетельствуют, что предлагаемый сплав обладает высокими прочностными и пластическими свойствами как кратковременными, так и длительными, в области температур от 20 до 1000°С, существенно превышающими уровень свойств прототипа.

Предлагаемый сплав имеет лучшие, чем у прототипа показатели свариваемости (V_кр), жаростойкости и такой важнейшей для жаровых труб характеристики как термостойкость (число циклов до образования трещины).

Таким образом, применение предлагаемого сплава позволит снизить вес изделий, а также увеличить их ресурс, надежность и температуру эксплуатации, унифицировать и сократить количество сплавов, используемых в изделии.

Таблица 1
Химический состав опытных плавок предлагаемого сплава, и сплава-прототипа (мас.%).
Хим. эл-т № пл.	С	Cr	Мо	Al	Nb	W	V	в	Mg	La	Се	Y	Ni
1	0,03	20.0	10.5	1.0	2.5	0,3	0,1	0,0001	0,001	0,001	0,001	-	Ост.
2	0,06	26.0	14.1	1.4	3.5	1,6	0,6	0,003	0,03	0,05	0,03	-	Ост.
3	0,10	32.0	18.0	1.8	4.5	3,0	1,0	0,006	0,05	0,10	0,06	-	Ост.
4	0,06	27.0	7.5	1.35	3.1	-	-	0,001	0,01	0,006	-	0,01	Ост.

1. Жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, молибден, алюминий, ниобий, бор, лантан, магний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит вольфрам, ванадий и церий при следующем содержании компонентов, мас.%:

Углерод	0,03÷0,10
Хром	20,0÷32,0
Молибден	10,5÷18,0
Ниобий	2,5÷4,5
Алюминий	1,0÷1,8
Вольфрам	0,3÷3,0
Ванадий	0,1÷1,0
Бор	0,0001÷0,006
Магний	0,001÷0,05
Лантан	0,001÷0,10
Церий	0,001÷0,06
Никель	Остальное

2. Изделие из жаропрочного сплава на основе никеля, отличающееся тем, что оно выполнено из жаропрочного сплава на основе никеля по п.1.