Жароміцний корозійностійкий нікелевий сплав

Жароміцний корозійностійкий нікелевий сплав, який містить вуглець, хром, кобальт, вольфрам, молібден, титан, алюміній, ітрій, бор, лантан, який відрізняється тим, що сплав містить компоненти у такому співвідношенні, в мас %. Вуглець 0,22 - 0,32 Хром 14,3 - 22,0 Кобальт 4,0 - 6,0 Вольфрам 6,5 - 8,0 Молібден 0,5-1,25 Титан 4,0 - 5,5 Алюміній 2,8 - 4,0 Ітрій 0,03 - 0,05 Бор 0,01 - 0,05 Лантан в 0,005 - 0,02 решта. Нікель Дійсний винахід належить до області металургії, зокрема до виробництва жароміцних корозійностійкий сплавів, призначених для виготовлення литих деталей газотурбінних двигунів, що працюють в умовах високотемпературного тертя, наприклад, втулок поворотних лопаток. Відомі корозійностійкі сплави з підвищеною зносостійкістю, призначені для виготовлення втулок газотурбінних двигунів, на основі кобальту. Наприклад, відомий корозійностійкий сплав із підвищеною зносостійкістю на основі кобальту (Симе Ч., Хагель В., Жаропрочні сплави. М., 1976, 293-320), що містить (у мас. %): Вуглець 1,2-1,4 Хром 28 - 32 Молібден 1,2 -1,6 Марганець 0,8-1,0 Вольфрам 3,5 - 5,5 Нікель 2,0 - 4,0 Кремній 1,0 - 2,0 Залізо 2,0 - 4,0 Бор 0,01-0,012 Кобальт решта. Відомий сплав має необхідну жароміцність, зносостійкість, а також стійкість до ВТК (високотемпературної корозії). Деталі газотурбінних двигунів, виготовлені з нього, мають необхідну довговічність. Проте відомий сплав на кобальтовій основі є дорогим і дефіцитним, до того ж є матеріалом імпортного виробництва. Найбільш ефективним рішенням цього питання є розробка сплаву-аналога на нікелевій основі. Нікелеві сплави менш дефіцитні та більш дешеві при тих же фізико-технічних характеристиках. Заміна кобальтових сплавів у виробах, відповідно, нікелевими сплавами з аналогічними властивостями дозволяє: • істотно знизити закупівлю деталей за рубежем; - знизити вартість деталей газотурбінних двигунів у порівнянні з імпортними деталями (зокрема втулки поворотних лопаток). - розвивати промислову базу України; Відомий жароміцний корозійностійкий сплав (авт. свід. № 869362, СРСР, М.Кл. С22С 19/05, надрук. у БВ № 47, 1986 р.) на основі нікелю, що містить (у мас.%): Вуглець 0,07-0,15 Хром 12,5-14,0 Кобальт 4,0 - 6,0 4,0 - 6,0 Вольфрам Молібден 1,5-2,5 Ітрій 0,01 - 0,03 Церій 0,02-0,05 Цирконій 0,005 - 0,01 Ніобий 0,05-1,0 0,01 -0,05 Бор Алюміній 2,8 - 3,2 4,5 - 5,5 Титан решта. Нікель ю со < 35414 HRC. Відомий сплав має низьку твердість • 20-25 Корозійна стійкість, яка необхідна в межах що припускаються, та зносостійкість сплаву недостатні для .того, щоб деталі газотурбінних двигунів виготовлені з нього мали необхідну довговічність. Сплав набуває найкращих фізико-механічних властивостей після термообробки, що проводиться в два етапи: I етап • гомогенізація. Виливок нагрівають протягом 4 годин до температури 1180 в С, охолоджують до 1150°С, витримують 2-4 години, охолоджують на повітрі; II етап • старіння. Проводять нагрів деталі до 830°С. витримують 24 години, охолоджують на повітрі. У результаті такої термообробки сплав відомого складу набуває структури, що містить 46 4 8 % у-фази розміром 0,3 • 0,7 10 е м, а також 0,4 0,5% карбідів метал - вуглець МС і М2зСе і боридів МзВг- Через недостатнє утримання у - фази і карбідів у структурі сплав має низьку твердість, а отже недостатню зносостійкість. У результаті цього деталі газотурбінних двигунів, виготовлені з відомого сплаву, є недовговічними - термін їх служби не перевищує 8-10 тис. годин. Найбільше близьким по технічній сутності і до досягнених результатів є жароміцний корозійностійкий нікелевий сплав (авт. свід. № 1072497, СРСР, М.Кл.5 С22С 19/05 надрук. у БІ № 25,1993 p.), що містить (у мас. % ) : Вуглець 0,07-0,15 Хром 12,5-14,0 Кобальт 4,0 - 6,0 Вольфрам 6,5 • 8,0 Молібден 0,5 • 1,35 Титан 4,0 - 5,5 Алюміній 2,8 • 4,0 Ітрій 0,03 - 0,05 Бор 0,01 - 0,05 Лантан 0,005 - 0,02 Нікель решта. Відомий сплав має недостатні показники твердості і зносостійкості для того, щоб деталі газотурбінних двигунів, що виготовляються з .нього, мали необхідну довговічність. ' Відомий сплав після термічного оброблювання, що включає гомогенізаційне відпалювання при 1180"С протягом 4 годин, охолодження та витримку при 1050"С протягом 2 годин і наступне старіння протягом 24 годин, має структуру, де зміст карбідів метал - вуглець МС і М 2 зС 6 складає усього 0,6 - 0.8%: Низьким є також і утримання у-фази в структурі сплаву, усього 52 - 54%. Через недостатню кількість у-фази і низький склад карбідів у структурі сплаву він має недостатню твердість - 25-27 HRC, а також невисокі показники корозійної стійкості та зносостійкості. Деталі газотурбінних двигунів, виготовлені з відомого сплаву, мають низький ресурс роботи • не більш 1012 тис годин. Тоді як необхідно забезпечити ресурс роботи цих деталей протягом 35-40 тис. годин, тобто у 3 рази вище. Основною задачею винаходу, що заявляється, є підвищення довговічності деталей за рахунок підвищення їх корозійної стійкості і зносостійкості. Зазначений технічний результат досягається тим, що у сплаві, що заявляється, який містить вуглець, хром, кобальт, вольфрам, титан, алюміній, молібден, ітрій, бор, лантан, нікель передбачене співвідношення інгредієнтів (у мас. % ) : Вуглець 0,22 - 0,32 Хром 14,3 - 22,0 Кобальт 4,0 - 6,0 Вольфрам 6,5 - 8,0 Молібден 0,5 -1,25 Титан 4,0 - 5,5 Алюміній 2,8 - 4,0 Ітрій 0,03 - 0,05 Бор 0,01 - 0,05 Лантан 0,005 - 0,02 Нікель решта. Одночасне підвищення утримання вуглецю та хрому в складі сплаву до зазначених меж дозволяє одержати в результаті термічного оброблювання, що забезпечує найкращі фізико-механічні властивості - тобто після гомогенізації і старіння структуру, що містить підвищене утримання карбідів і у -фази. Зокрема, запропонований сплав містить 0,8 1,2% карбідів типу МС і МгзСв, що, у результаті термічного оброблювання, переходять у карбіди типу МгзСб та у-фазу відповідно. За рахунок росту утримання карбідів типу МгзСє і У-фази в структурі сплаву підвищується його тривкість, збільшується корозійна стійкість, зносостійкість. Підвищення кількості хрому забезпечує також підвищення корозійної стійкості сплаву за рахунок утворення на поверхні додаткового обсягу оксидних плівок з хімічною формулою Сг2Оз та шпінелі Ni * Сг2Оз, щільно зчеплених з основою сплаву. Запропоноване оптимальне співвідношення інгредієнтів отримано експериментально. Шляхом додаткового запровадження окремих елементів, незначно зменшуючи жароміцність сплаву, збільшуємо його зносостійкість, що необхідна для деталей типу вал - втулка, працюючих в умовах сухого тертя в гарячому тракті двигуна в інтервалі температур 400°С - 600"С. Це збільшує довговічність роботи деталей газотурбінних двигунів і продовжує термін їхньої роботи до 35 - 40 тис годин. У таблиці 1 приведені дані хімічного складу сплавів, що виплавляються Для проведення іспитів були відлиті сплави які містять компоненти в кількості, що відповідає. - нижній межі, що заявляється (сплав № 1), - верхній межі, що заявляється (сплав N9 3), - оптимальному співвідношенню, що є середнім між нижнім і верхнім межами (сплав № 2). Отримані і випробувані також сплави, в яких: • утримання хрому складає 13%, а вуглецю 0,18% (сплав № 4), що нижче межі, що заявляється; - утримання хрому складає 23%, а вуглецю 0,37% (сплав № 5), що вище межі, що заявляється. Інші компоненти у складі сплавів № 4 та № 5 узяті в оптимальному співвідношенні, обумовленому, як середнє значення Виплавку кожного сплаву проводили окремо у вакуумній індукційній печі порційно, вага плавки 3,5 кг. Заливання зразків із сплавів проводили ме 35414 тодом точного литва по виплавлюваних моделях у гарячі оболонкові керамічні форми. Потім виливки піддавали термічному оброблюванню. Проводили гомогенізаційне відпалювання при 1180 в С протягом 4 годин із наступним охолодженням із піччю до температури 1050°С, при якій здійснювали витримку протягом 2 годин і охолоджували на повітрі. Для проведення іспитів на твердість і зносостійкість були виготовлені зразки - пластини розміром 35 х 3 х 5 мм і ролики діаметром 26 мм, довжиною 10 мм із запропонованого сплаву й еталонні зразки зі сплаву ЗМИ-ЗУ, обрані в якості прототипу. Твердість визначали за методом Роквелла. Іспити на знос проводили на машині 2070 СМГ - 1 при 2 0 ' С і при 500"С на швидкості 600 хвил 1 протягом 30000 циклів. Тривалу жароміцність визначали при 900*С протягом 100 годин на машині АИМА-5. Стендові іспити на високотемпературну корозію проводили протягом 250 годин при 750*С у розплаві солей, де утримання Na?SO4 складало 75%, a N a d -25%. Вимірювали також ударну в'язкість на маятниковому копрі МК - ЗОА. У таблиці 2 подані значення вимірювальних характеристик у залежності від хімічного складу сплавів, що виплавляються. У таблиці 2 приведені також результати тотожних іспитів, проведених на зразках із сплаву ЗМИ-ЗУ, обраного в якості прототипа, захищеного авторським посвідченням СРСР Ne 1072497. Дані, приведені в таблиці 2, підтверджуються актами іспитів. Як очевидно з таблиці 2 сплав запропонованого складу відрізняється від відомого, прийнятого в якості прототипу, великим значенням твердості, корозійної в'язкості та жароміцності. Сплав N9 1, який має співвідношення інгредієнтів, що відповідають нижній межі заявляемого складу, має недостатні значення вихідної твердості, корозійної стійкості і зносостійкості, але при цьому достатньо високі значення ударної в'язкісті і жароміцності, необхідні для застосування сплаву при виготовленні втулок для газотурбінних двигунів. Сплав № 3, який має співвідношення інгредієнтів, що відповідають верхній межі заявляемого сплаву, має високі значення вихідної твердості, зносостійкості і корозійної стійкості, при невеличкому зниженні значень ударної в'язкісті та жароміцності. Проте верхня межа утримання хрому може викликати температурну нестабільність фазових складових, що може призвести до зниження жароміцності в процесі експлуатації. Оптимальним є склад сплаву № 2, що має необхідне значення твердості, корозійної стійкості і зносостійкості при незначному зниженні ударноТ в'язкісті та жароміцності. Таблиця 1 Хімічний склад сплавів Склад, мас. % Компоненти 1 2 3 4 5 Прототип Вуглець 0.22 0,27 0.32 0,18 0,37 0,07-0,15 Хром 14,3 18.15 22,0 13,0 23.0 12,5-14,0 Кобальт 4.0 5,0 6,0 5.0 5,0 4,0 - 6.0 Вольфрам 6.5 7,25 8,0 7.25 7.25 6,5 - 8,0 Молібден 0,5 0,81 1.25 0.81 0,81 0.5-1.25 Титан 4.0 4,75 5,5 4.75 4.75 4,0 - 5.0 Алюміній 2,8 3,4 4,0 3.4 3.4 2.8 -4.0 Ітрій 0,03 0,04 0,05 0,04 0.04 0.03 - 0,03 Бор 0,0* 0,03 0,05 0,03 0,03 0,01 -0,05 Лантан 0,005 0,0125 0,02 0.0125 0,0125 0.005-0.002 Нікель решта решта решта решта решта решта 35414 Таблиця 2 Результати іспитів Випробовуваний сплав Твердість Знос, 1 Ю^мм^цикл) При 20°С Швидкість корозії при 900°С, 11СГ4 (р/мас) Ударна в'язкість, кДж/м2 Жароміц. при 900 в С, довготрив. (за 100 г) МПа При 500'С 1 * 33 0,4 0,06 0,73 142 220 2 36 0,35 0,03 0,5 138 200 3 38 0,3 0,27 0,15 135 190 4 ЗО 0,45 0,07 1,1 145 230 5 40 0,29 0,025 0,1 125 180 Прототип 25-27 0,5 0,08 11,5-13,0 147 220 Тираж 50 екз. Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м. Ужгород, вул. Гагаріна, 101 (03122) 3 - 7 2 - 8 9 (03122) 2 - 5 7 - 0 3