Жаростійкий кобальтовий сплав

Реферат: Сплав належить до металургії і може використовуватися в машинобудуванні, зокрема для зміцнення робочих лопаток авіаційних газотурбінних двигунів. Заявлено жаростійкий кобальтовий сплав, що містить, мас. %: хром 15,0-25,0, ніобій 13,0-20,0, вольфрам 6,0-12,0, алюміній 2,0-4,0, залізо 2,0-5,0, вуглець 1,5-2,5, реній 1,0-10,0, кобальт - решта. UA 105154 C2 (12) UA 105154 C2 UA 105154 C2 5 10 15 20 25 30 Винахід належить до металургії, зокрема до сплавів, що використовуються для захисту від зношування бандажних полиць робочих лопаток авіаційних газотурбінних двигунів (далі - ГТД), які працюють в жорстких умовах високотемпературної фретинг-корозії у середовищі продуктів згоряння авіаційного палива. Тривалість роботи авіаційних газотурбінних двигунів великою мірою залежить від стійкості робочих лопаток, зокрема від інтенсивності механічного зношування кромок їх бандажних полиць. Міжремонтний ресурс роботи двигуна з незахищеними лопатками становить 1000 годин. Відомий сплав марки ВЖЛ-2 (ОСТ 1-90126-85. Сплави жаропрочные литейные вакуумной выплавки), який використовується для захисту лопаток ГТД та подовжує ресурс роботи двигунів до 2000 годин, що має наступне співвідношення компонентів, мас. %: вуглець (С) 0,11-0,17 хром (Сr) 2,0-15,0 вольфрам (W) 8,0-10,0 молібден (Мо) 12,0-15,0 титан (Ті) 2,0-3,2 кремній (Si) 1,0-2,0 алюміній (Аl) 1,5-3,0 залізо (Fe) 2,0-3,5 не більше бор (В) 0,065 не більше сірка (S) 0,02 не більше фосфор (Р) 0,02 нікель (Ni) решта. Недоліком відомого сплаву є його низька зносостійкість (інтенсивність зносу при температурі -6 3 1000 °C і навантаженні 4,7 кг/мм становить 4,49·10 мм /цикл) та температура плавлення, яка становить лише 1220-1285 °C. Відомий сплав на основі кобальту (патент України на винахід № 8240А, МПК С22С 19/07, опубл. 29.03.1996 р., Бюл. № 1), що містить, мас. %: хром (Сr) 15,0-30,0 ніобій (Nb) 8,0-20,0 вольфрам (W) 1,0-6,0 алюміній (Аl) 0,2-3,0 вуглець (С) 1,5-3,0 титан (Ті) 0,01-10,0 молібден (Мо) 1,0-5,0 кобальт (Co) решта. Цей сплав застосовується в авіаційних газотурбінних двигунах, 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, 2). Інтенсивність зносу сплаву ХТН-61 при температурі 1000 °C і 2 -6 3 навантаженні 4,7 кг/мм становить 0,40·10 мм /цикл. Сплав має температуру плавлення вищу за 1300 °C (1320-1350 °C). 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 сплаву є його низька жаростійкість, що перешкоджає досягненню необхідної працездатності сплаву в області робочих температур. Найбільш близьким за технічною суттю та результатом, що досягається, до сплаву, що заявляється, є сплав на основі кобальту (патент України на винахід № 39450, МПК С22С 19/07, опубл. 25.02.2009 р., Бюл. № 4), що містить, мас. %: хром (Сr) 15,0-25,0 ніобій (Nb) 13,5-17,0 вольфрам (W) 6,0-12,0 алюміній (Al) 2,0-3,5 залізо (Fe) 2,0-5,0 вуглець (С) 1,6-1,9 кобальт (Со) решта. Цей сплав використовується для зміцнення та відновлення бандажних полиць робочих лопаток авіаційних газотурбінних двигунів, як сплав марки ХТН-62 (згідно з технічними умовами 1 UA 105154 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 України "Прутки литые из сплавов ХТН-37 и ХТН-61" з доповненнями 1, 2, 3). Сплав має температуру плавлення 1320 °C, достатню жаростійкість та опір зношуванню при робочих температурах від 20 до 1000 °C. При підвищенні експлуатаційних характеристик газотурбінних двигунів робоча температура на кромках лопатки підвищується з 1000 до 1100 °C, що вимагає подальшого удосконалення сплаву. Недоліком відомого сплаву є недостатня жаростійкість в області робочих температур. В основу винаходу поставлена задача розробити жаростійкий кобальтовий сплав шляхом додаткового введення до його складу ренію, за рахунок чого підвищується жаростійкість сплаву в діапазоні температур 20-1100 °C при збереженні зносостійкості не нижчої ніж для найближчого аналогу та температури плавлення не нижчої за 1300 °C. Поставлена задача вирішується тим, що в жаростійкий кобальтовий сплав, що містить хром, алюміній, вольфрам, залізо, ніобій та вуглець згідно з винаходом, додатково вводять реній при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: хром (Сr) 15,0-25,0 ніобій (Nb) 13,0-20,0 вольфрам (W) 6,0-12,0 алюміній (Al) 2,0-4,0 залізо (Fe) 2,0-5,0 вуглець (С) 1,5-2,5 реній (Re) 1,0-10,0 кобальт (Co) решта. Запропонований сплав перевіряли наступним чином. Виготовляли злитки кобальтових сплавів із різним вмістом компонентів, наприклад плавкою в електродуговій печі в середовищі аргону на мідному охолоджуваному водою поду. Температуру плавлення отриманих злитків (Таблиця 1) визначали методом диференціального термічного аналізу за допомогою високотемпературного термічного аналізатора марки ВДТА8М з точністю ±10 °C (Кочержинский Ю.А. Опытно-промышленные образцы для физикохимического анализа при высоких температурах. Приборы для исследования физических свойств материалов. - Киев: Наукова думка, 1974, с. 298). Жаростійкість зливків кобальтових сплавів визначали по збільшенню їх ваги, віднесеної до одиниці площі поверхні, при циклічному нагріванні на повітрі до 1100 °C, витримки впродовж 10 годин та охолодженні до кімнатної температури. Зважування зливків здійснювали після кожного циклу зазначеної обробки, а повна тривалість відпалу становила 50 годин (Таблиця 2). Окислення сплавів при 1100 °C супроводжувалось збільшенням їх ваги. Встановили, що жаростійкість сплавів тим вища, чим менше змінюється їх початкова вага. Наведені в таблицях 1, 2 результати вимірювань властивостей кобальтових сплавів, в залежності від їх складу, дозволили встановити граничні концентрації компонентів, в межах яких отримані сплави задовольняють встановленим вимогам по жаростійкості. При введенні ренію менше 1 % жаростійкість кобальтових сплавів не зазнає значного збільшення в порівнянні з найближчим аналогом. При вмісті хрому менше 15 %, алюмінію та заліза менше 2,0 % сплави характеризуються недостатньою жаростійкістю. Збільшення вмісту хрому вище 25 % призводить до утворення інтерметалідної фази і викликає крихкість кобальтового сплаву. Збільшення вмісту алюмінію вище 4,0 %, заліза вище 5 % та ренію вище 10 % призводить також до утворення небажаних фаз і, як наслідок, зниження температури плавлення сплаву. Вміст вольфраму менше 6 % не достатньо зміцнює кобальтову матрицю, а збільшення понад 12 % спричиняє крихкість сплаву. Карбідоутворюючі компоненти - ніобій, вольфрам та вуглець - забезпечують високу зносостійкість завдяки утворенню в кобальтових сплавах високотемпературної кобальт-карбідної евтектики по аналогії з найближчим аналогом. Як свідчать результати вимірювання, кобальтовий сплав, що є об'єктом винаходу (зразки за №№ 2, 3, 4) в середньому в 2-3 рази переважає найближчий аналог по жаростійкості в усьому інтервалі робочих температур лопаток двигуна (20-1100 °C), причому величина жаростійкості підвищується при збільшенні часу витримки за високих температур. Запропонований сплав можна використовувати в литому стані без термообробки. 2 UA 105154 C2 Таблиця 1 Склад та температура плавлення зливків кобальтових сплавів Температура плавлення зливку сплаву, °C Вміст компонентів, мас. % № зливка сплаву 1 2 3 4 Сr 13 15 20 25 W 5 6 9,5 12 Аl 1 2 3 4 Fe 1 2 3 5 Re 1 2 6 10 Nb 11 13 15,5 20 С 1,3 1,5 1,8 2,5 5 27 15 5 7 12 22 2,7 6 20 9,5 3 3 15,5 1,8 Примітка нижче мінімального мінімальний середній максимальний вище максимального найближчий аналог 1300 1315 1325 1320 1270 1320 Таблиця 2 Жаростійкість зливків кобальтових сплавів при 1100 °C -5 № зливка сплаву 1 2 3 4 5 6 10 7,6 5,54 4,23 3,0 7,72 7,62 2 Збільшення ваги злитку кобальтового сплаву, x10 г/мм Тривалість відпалу, години 20 30 40 9,4 11,4 13,5 7,34 8,86 10,1 5,64 6,44 7,5 3,62 4,24 4,78 9,4 11,5 14,0 9,57 11,75 13,8 50 15,5 10,7 8,26 5,2 16,1 16,0 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 Жаростійкий кобальтовий сплав, що містить хром, алюміній, залізо, вольфрам, ніобій і вуглець, який відрізняється тим, що він додатково містить реній при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: хром 15,0-25,0 ніобій 13,0-20,0 вольфрам 6,0-12,0 алюміній 2,0-4,0 залізо 2,0-5,0 вуглець 1,5-2,5 реній 1,0-10,0 кобальт решта. Комп’ютерна верстка І. Мироненко 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