Сплав на основі кобальту

Сплав на основі кобальту, що містить хром, ніобій, вольфрам, алюміній, вуглець, який відрізняється тим, що він додатково містить залізо при наступному співвідношенні компонентів (мас. %): хром (Cr) 5-25 ніобій (Nb) 13,5-17 вольфрам (W) 6-12 алюміній (Al) 2-3,5 залізо (Те) 2-5 вуглець (С) 1,6-1,9 кобальт (Co) решта. (19) (21) u200811894 (22) 06.10.2008 (24) 25.02.2009 (46) 25.02.2009, Бюл.№ 4, 2009 р. (72) ШУРИН АНАТОЛІЙ КЛИМЕНТІЙОВИЧ, UA, ЧЕРЕПОВА ТЕТЯНА СТЕП АНІВНА, UA, АНДРІЙЧЕНКО HАТАЛЯ ВІКТОРІВН А, UA, ЗАМКОВОЙ ВАСИЛЬ ЄВГЕНОВИЧ, UA (73) ІНСТИТУТ МЕТАЛОФІЗИКИ ІМ. Г.В. КУРДЮМОВА Н АЦІОН АЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ Н АУК УКРАЇНИ, UA 3 39450 нах, що виробляються в Україні, як сплав марки ХТН-61 згідно з технічними умовами України "Прутки литые из сплавов ХТН-37 и ХТН-61" з доповненнями 1 і 2. Загальними ознаками прототипу та сплаву, що заявляється, є наявність в їх складі кобальту, хрому, ніобію, вольфраму, алюмінію та вуглецю. Інтенсивність зносу сплаву ХТН-61 при температурі 1000°С і навантаженні 4,7кг/мм становить 0,40·10-6мм 3/цикл. Сплав має температур у плавлення вище 1300°С (1320-1350°С) і достатню зносостійкість. При зміцненні кромок бандажних полиць робочих лопаток шляхом нанесення на їх контактні поверхні шару сплаву ХТН-61 ресурс роботи авіаційного двигуна становить 6000 годин. Недоліком сплава ХТН-61 є низька жаростійкість, що перешкоджає досягненню необхідної працездатності сплаву при температурах до 1100°С. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення сплаву на основі кобальту у напряму підвищення жаростійкості сплаву при температурах до 1100°С при збереженні його зносостійкості не нижче зносостійкості сплаву ХТН-61 і температурі плавлення не нижче 1300°С. Поставлена задача вирішується тим, що відомий сплав на основі кобальту, що містить хром, ніобій, вольфрам, алюміній, вуглець, додатково містить залізо при наступному співвідношенні компонентів (мас. %): хром (Cr) 5-25 ніобій (Nb) 13,5-17 вольфрам (W) 6-12 алюміній (Al) 2-3,5 залізо (Fе) 2-5 вуглець (С) 1,6-1,9 кобальт (Co) решта 4 Зі складу сплаву, що заявляється, виключаються молібден та титан як елементи, що знижують жаростійкість. До складу сплаву додатково додається залізо, а також збільшується вміст алюмінію, які підвищують жаростійкість. Для встановлення діапазону концентрацій компонентів в сплаві було ви готовлено 32 злитка сплавів (Таблиці 1-4), які мають різний склад. Кожен злиток виготовлявся окремо плавкою в електродуговій печі в середовищі аргону на мідному охолоджуваному водою поду. Температура плавлення визначалася методом диференціального термічного аналізу за допомогою високотемпературного диференціального термічного аналізатора марки ВДТА-8М [Кочержинский Ю.А. Опытнопромышленные образцы для физико-химического анализа при высоких температурах. Приборы для исследования физических свойств материалов. Киев: Наукова думка, 1974, с. 298] з точністю ±10°С. Жаростійкість зразків визначалась по величині збільшення їх маси , віднесеної до одиниці площі поверхні, при нагріванні їх в атмосфері повітря до температури 1100°С і витримки протягом 50 годин. Зважування зразків виконувалось через кожні 10 годин. Вимірювання зносостійкості виконувались на газодинамічному стенді [Л.Й. Івщенко, А.Г. Андрієнко, Метод трибологічних випробувань матеріалів за умов циклічного силового і температурного навантаження // Металознавство та обробка металів. - 1996, №3, с.62-65], де імітувались умови роботи кромок бандажних полиць робочих лопаток газотурбінних авіаційних двигунів відносно швидкості нагрівання, робочої температури, складу атмосфери та характеру механічної взаємодії поверхонь кромок лопаток (навантаження та амплітуда коливань). Зносостійкість визначалась втратою об'єму зразка за один цикл коливань. Таблиця 1 Крихкість сплавів № зразка 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 W мас.% 6,0 6,0 9,0 9,0 9,0 11,0 12,0 12,0 15,0 15,0 4,5 7,5 Прототип Аl мас. % 3,0 9,0 3,0 6,0 9,0 3,0 6,0 9,0 6,0 9,0 3,0 3,5 Всі зразки сплавів містять також Сr 20,0мас.%, Nb - 15,5мас.%, С - 1,9мас.%, Со - решта. Наведені в таблицях результати вимірювань властивостей сплавів в залежності від їх складу Температура плавлення, °С Наявність крихкості 1310 + + + + + + + 1310 1310 1310 1310 1320 дозволили встановити граничні концентрації компонентів, в межах яких сплави задовольняють встановлені вимоги. 5 39450 6 Таблиця 2 Температура плавлення сплавів № Сr зразка мас. % 12 20,0 13 20,0 14 20,0 15 20,0 16 20,0 17 20,0 18 20,0 19 20,0 20 20,0 21 20,0 22 25,0 23 20,0 27 20,0 Прототип W мас. % 7,5 7,5 6,0 7,5 9,0 6,0 6,0 9,0 9,0 6,0 9,0 7,0 12,0 Всі зразки сплавів 15,5мас.%, Co – решта. містять Аl мас. % 3,5 3,5 4,0 5,5 4,25 3,5 4,0 4,25 5,0 1,0 2,0 2,0 2,5 також Nb Fe мас. % 3,0 3,0 3,0 3,0 5,0 3,0 С мас. % 1,9 1,9 1,9 1,9 1,9 1,9 2,1 2,1 1,7 2,1 2,0 1,8 1,6 Температура плавлення, °С 1310 1310 1280 1270 1290 1320 1270 1280 1270 1290 1290 1320 1300 1320 Таблиця 3 Зносостійкість сплавів № зразка 20 23 24 25 26 27 W мас. % 9,0 7,0 4,5 7,0 9,0 12,0 Аl Fe мас. % мас. % 5,0 3,0 2,0 5,0 5,0 3,0 4,25 3,0 3,5 3,0 2,5 3,0 Прототип C Температура плавлення, мас. % °С 1,7 1270 1,8 1320 1,8 1310 1,8 1310 1,7 1315 1,6 1300 1320 Знос сплавів Iv·106мм 3/цикл 20°С 1100°С 0,18 48 0,25 15,1 0,12 77,0 0,30 65,0 0,25 15,0 0,24 14,9 0,25 16,1 Всі зразки сплавів містять також Сr - 20мас.%, Nb - 15,5мас.%, Co - решта. Таблиця 4 Жаростійкість сплавів Склад зразків, мас.% № Тпл °С G 12 13 14 23 26 27 28 29 30 31 32 20 20 20 20 20 20 20 20 25 20 20 W Аl 7,5 3,5 7,5 3,5 6,0 4,0 7,0 2,0 9,0 3,5 12 2,5 4,5 4,0 10 3,0 9,0 2,0 7,5 3,5 10 3,0 Прототип Fe С 3,0 3,0 5,0 3,0 3,0 3,0 3,0 3,0 6,0 1,5 1,9 1,9 1,9 1,8 1,7 1,6 1,9 1,9 1,8 1,8 1,8 1310 1310 1280 1320 1315 1300 1280 1310 1315 1315 1310 1320 10 4,5 1,7 2,3 20 4,0 1,63 2,13 2,1 2,5 1,97 2,3 6,5 4,2 13,3 5,6 3,55 14,0 Збільшення вага зразків, мг/мм 2 1060°С 1100°С Тривалість відпалу, год. 30 40 50 10 20 30 3,5 3,0 2,6 12,0 10,1 8,7 137 1,4 1,31 2,2 2,5 2,03 8,54 8,25 5,19 7,0 5,68 4,27 4,82 4,12 3,93 1,77 1,8 1,9 2,1 1,9 1,7 7,33 4,13 3,74 5,1 4,8 4,5 13,9 12,6 11,5 3,16 2,8 2,66 9,0 7,8 6,9 14,6 15,6 16,7 25,8 29,1 33,5 40 7,8 50 7,0 4,94 3,28 3,69 3,71 2,16 2,1 2,86 10,4 5,5 47,9 2,1 9,1 4,2 50,5 7 39450 Всі зразки сплавів містять також Nb 15,5мас.%, Co - решта. Наведені в Таблиці 1 вимірювання крихкості дали можливість встановити, що максимальний вміст в сплавах вольфраму має бути не більше 12мас.%, а алюмінію не більше 3,5мас.% (сплави за №№1, 3, 6, 12). Дані Таблиці 2 свідчать, що температура плавлення сплавів буде ви ща за 1300°С, якщо вміст вольфраму буде в межах 6-12мас.%, вміст алюмінію - в межах 2-3,5мас.%, вміст заліза - в межах 25мас.%, вміст вуглецю - в межах 1,6-1,9мас.% (сплави за №№13, 23, 27). Вміст хрому в межах 20-25мас.% не спричиняє зниження температури плавлення сплавів нижче 1300°С. Результати вимірювання зносостійкості сплавів і прототипу в однакових умовах іспитів на стенді свідчать, як витікає з Таблиці 3, що при визначеному вмісті хрому, ніобію, вольфраму, алюмінію, Комп’ютерна в ерстка М. Ломалова 8 вуглецю, заліза сплави за №№23, 26, 27 мають кращу зносостійкість, ніж прототип. Як свідчать результати вимірювання жаростійкості, показані в Таблиці 4, сплави, що є об'єктом винаходу (зразки за №№13, 23, 26, 27, 29, 30), мають значно кращу жаростійкість, ніж прототип. Перевага сплавів, що пропонуються, відносно прототипу, значно збільшується при збільшенні терміну витримки при високих температурах. Якщо при відпалі зразків протягом 10 годин ця перевага відносно прототипу сягає 3-5 разів, то при збільшенні часу до 50 годин перевага вже сягає 20-25 разів. При реальному терміні роботи авіаційних двигунів (приблизно 6000 годин) ця перевага буде ще більшою. Запропонований сплав можна виготовляти промисловим способом методом плавки і використовувати в литому стані. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601