Ливарний сплав на основі нікелю

Реферат: Винахід належить до металургії, зокрема до сплавів, які використовуються для підвищення зносостійкості кромок бандажних полиць на лопатках роторів газотурбінних авіаційних двигунів. Заявлено ливарний сплав на основі нікелю, який містить, мас. %: хром 8-12, вольфрам - 3-6, молібден - 4-6, титан - 1-4, алюміній - 3-5, вуглець - 0,9-2, бор - 0,01-0,02, кобальт - 12-15 та ванадій - 5-10. Технічний результат: температура плавлення вища за 1300 °С та висока зносостійкість сплаву в інтервалі температур до 1000 °С. UA 102213 C2 (12) UA 102213 C2 UA 102213 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Винахід належить до галузі металургії, зокрема до сплавів, які використовуються для підвищення зносостійкості кромок бандажних полиць на лопатках роторів газотурбінних авіаційних двигунів. Ресурс роботи авіаційних газотурбінних двигунів великою мірою залежить від стійкості робочих лопаток, зокрема від інтенсивності механічного зношування кромок бандажних полиць лопаток газотурбінних двигунів. Впродовж експлуатації контактні поверхні бандажних полиць піддаються тертю, співударам, вібрації, високотемпературному окисленню тощо. Внаслідок цих процесів торці бандажних полиць зношуються, між ними з'являється зазор, через що ротор стає непридатним для подальшої експлуатації. Для зміцнення контактних поверхонь лопаток використовують сплави на основі нікелю. Вимоги до експлуатаційних характеристик лопаток газотурбінних двигунів нових розробок постійно зростають, потребують підвищення робочих температур до 1000-1100 °C, більшого питомого навантаження на бандажні полиці, підвищення температури пайки зміцнюючого сплаву на контактні поверхні лопаток до 1260-1270 °C. Все це потребує подальшого удосконалення нікелевих сплавів для авіаційних двигунів. Відомий сплав, що захищений патентом Російської Федерації RU 2112069 С1, кл. С22С 19/03, С22С 19/05 "Литейный жаропрочный сплав на основе никеля", 1998, що містить вуглець, хром, кобальт, молібден, вольфрам, алюміній, титан, ітрій, бор, цирконій, ніобій, сірку, фосфор, марганець, кремній, залізо, мідь, азот, вісмут, свинець, сурму, миш'як, нікель - решта. Сплав рекомендовано для нанесення на контактні поверхні бандажних полиць робочих лопаток газотурбінних авіаційних двигунів. Недоліком відомого сплаву є низька первинна твердість, яка до того ж досягається лише внаслідок термічної обробки, і невисока температура плавлення, внаслідок чого робоча температура сплаву обмежується 900 °C. Відомий також сплав для виготовлення великогабаритних лопаток газових турбін (див. патент України UA 48317 С2, С22С 19/03, С22С 19/05, 2002), що містить вуглець, хром, алюміній, титан, вольфрам, молібден, ніобій, марганець, залізо, цирконій, бор, кремній, нікель решта. Недоліком відомого сплаву є те, що він набуває найвищих фізико-механічних характеристик тільки в результаті термічної обробки, яка відбувається в два етапи, і робоча температура сплаву близько до 750 °C. Найближчим за технічною суттю і відносно досягнутого результату (прототип) є ливарний жароміцний зносостійкий нікелевий сплав ВЖЛ-2 (ОСТ 1-90126-85. Сплавы жаропрочные литейные вакуумной выплавки), який має склад (мас. %): хром (Сr) 12-15 вольфрам (W) 8-10 молібден (Mo) 12-15 титан (Ті) 2-3,2 кремній (Si) 1-2 алюміній (Αl) 1,5-3 залізо (Fe) 2-3,5 вуглець (С) 0,11-0,17 бор (В) не більше 0,065 сірка (S) не більше 0,02 фосфор (Р) не більше 0,02 нікель (Ni) решта. Інтервал плавлення сплаву ВЖЛ-2 складає 1250-1270 °C, він достатньо стійкий до зношування при робочих температурах до 900 °C. Недоліком сплаву-прототипу є насамперед його низька температура плавлення, яка становить 1260±10 °C, що не дозволяє використовувати високотемпературну технологію пайки на кромки бандажних полиць лопаток, а 2 також недостатня зносостійкість при температурі 1000 °C, яка при навантаженні 4,7 кГ/мм -6 3 становить 4,510 мм /цикл. В основу винаходу поставлена задача отримання нового сплаву на основі нікелю, який має температуру плавлення не нижче 1300 °C і зносостійкість, вищу, ніж у сплаву-прототипу. Поставлена задача вирішується тим, що відомий ливарний зносостійкий сплав на основі нікелю, який містить хром, вольфрам, молібден, титан, алюміній, вуглець, бор, згідно з винаходом, додатково містить кобальт і ванадій при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: хром (Сr) 8-12 вольфрам (W) 3-6 молібден (Мо) 4-6 1 UA 102213 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 титан (Ті) 1-4 алюміній (А1) 3-5 вуглець (С) 0,9-2 бор (В) 0,01-0,02 кобальт (Со) 12-15 ванадій (V) 5-10 нікель (Ni) решта. Загальними ознаками сплаву-прототипу і сплаву, що заявляється, є наявність в їх складі нікелю, хрому, вольфраму, молібдену, титану, алюмінію, вуглецю, бору при однакової технології нанесенняшару захисного матеріалу на контактні поверхні лопаток газотурбінних авіаційних двигунів. При цьому із відомого сплаву вилучаються кремній, сірка, фосфор, як ті, що знижують температуру плавлення та пластичність нікелю, і залізо, яке погіршує його жароміцність. Зменшується вміст молібдену, надлишок якого веде до зниження жаростійкості нікелю. Додатково вводиться кобальт, який підвищує температуру повної розчинності γ’-фази, підвищує пластичність і в'язкість і не знижує температуру плавлення сплавів на основі нікелю. Додатково вводиться ванадій для зміцнення твердого розчину на основі нікелю і як карбідоутворюючий компонент. Все це забезпечує підвищену зносостійкість при високих температурах і температуру плавлення сплаву на рівні 1310-1340 °C внаслідок утворення в сплаві високотемпературної евтектики, яка складається із зміцненої нікелевої основи і карбідної фази, що містить титан, ванадій і вольфрам. Вміст вуглецю в сплаві для цього суттєво збільшується. Для встановлення діапазону концентрацій компонентів сплаву було виготовлено дванадцять композицій різного складу (таблиці 1, 2). Кожна композиція виготовлялась окремо плавленням в електродуговій печі в середовищі аргону на мідному водоохолоджувальному поді. Температуру плавлення сплавів визначали за допомогою високотемпературного диференційного термічного аналізатора марки ВДТА-8М з точністю ± 10 °C (Кочержинский Ю.А. и др. Опытнопромышленные образцы для физико-химического анализа при высоких температурах. // Приборы для исследования физических свойств материалов. - К.: Наукова думка, 1974. - с. 134141). Наведені в таблицях 1, 2 результати вимірювання властивостей сплавів в залежності від їх складу дозволили встановити граничні концентрації компонентів, в межах яких сплави задовольняють поставленим вимогам (сплави №№ 4, 6, 9). Склад і температура плавлення композицій, представлених в таблиці 1, свідчать також, що зниження вмісту компонентів нижче вказаної для кожного з них межі, також як і підвищення вмісту компонентів вище вказаної для кожного з них межі приводить до зниження температури плавлення нижче 1300 °C. Температура плавлення сплавів буде вища за 1300 °C, якщо якісний та кількісний склад сплавів буде відповідати складу сплаву, що заявляється. Вимірювання зносостійкості виконувалось на газодинамічному стенді (Л.Й. Івщенко, А.Г. Андрієнко. Метод трибологічних випробувань матеріалів за умов циклічного силового та 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). Результати вимірювання зносостійкості в умовах, однакових для сплаву, що заявляється, і сплаву-прототипу свідчать (таблиця 2), що при визначеному вмісті хрому, вольфраму, молібдену, титану, алюмінію, вуглецю, бору, кобальту, ванадію, нікель - решта, сплави з температурою плавлення, вищою за 1300 °C (сплави №№ 4, 6, 9), мають кращу зносостійкість ніж прототип. Запропонований сплав може виготовлятись промисловим способом методом плавки і використовуватися в литому стані з термообробкою чи без неї. 2 UA 102213 C2 Таблиця 1 Температура плавлення сплавів Склад сплаву, мас. % № зразка Сr 1 8 2 13,5 3 9,1 4 9 5 10,5 6 9,5 7 14 8 7,2 9 12 10 11,8 11 12 прототип 6,5 W Mo Ті 4,5 5 2 4,9 2 5,2 2,5 2,8 5,89 3 7,3 9,5 4,8 7,5 5 4,5 3 4,7 4 5 5,2 6 4 13 1,5 3 0,5 1,5 4,8 2 1 1,2 3,5 4 2 2,5 ΑΙ С 3,79 0,8 6 0,7 2,68 2,5 3,58 1,8 5,5 0,7 3,8 0,9 5 1 1,98 0,8 3 2 3,5 1,9 3,2 0,8 2 0,13 В 0,01 0,01 0,02 0,02 0,03 0,02 0,01 0,01 0,02 0,02 0,01 0,04 Со V Ni 12 10,5 16 12 12 8,5 15 9,2 11 4,5 13,8 4,6 13,5 6,2 10 5,5 13 10 12 5 13,5 8 Fe 54,1 36,29 57,7 50,5 57,97 55,48 52,79 65,51 45,3 52,78 49,19 62,33 2,5 Температуpa плавлення, Si ±10 °C 1280 1260 1270 1330 1240 1340 1290 1280 1320 1300 1290 1,5 1250 Таблиця 2 Зносостійкість сплавів Знос сплаву Іу10 мм /цикл при Знос сплаву Іу10 мм /цикл при 2 2 навантаженні 2,3 кГ/мм навантаженні 4,7 кГ/мм 20 °C 500 °C 900 °C 1000 °C 20 °C 500 °C 900 °C 1000 °C 0,22 0,045 0,38 1,75 0,2 0,57 0,21 0,016 0,9 0,587 0,27 1,57 0,3 0,18 0,042 1,7 0,23 1,30 0,25 0,28 1,35 0,94 4,5 6 № зразка 4 6 9 прототип 3 6 3 Температура плавлення°С 1330 1340 1320 1260 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 Ливарний сплав на основі нікелю, що містить хром, вольфрам, молібден, титан, алюміній, вуглець, бор, який відрізняється тим, що він додатково містить кобальт та ванадій при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: хром 8-12 вольфрам 3-6 молібден 4-6 титан 1-4 алюміній 3-5 вуглець 0,9-2 бор 0,01-0,02 кобальт 12-15 ванадій 5-10 нікель решта. Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП“Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3