Жароміцний зносостійкий композиційний сплав на основі кобальту

Реферат: Жароміцний зносостійкий композиційний сплав на основі кобальту містить хром, молібден, кремній, бор, нікель та карбід хрому. UA 111213 U (12) UA 111213 U UA 111213 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі металургії, зокрема до сплавів на основі кобальту, які працюють за високих температур в середовищі продуктів згоряння палива типу гас, і може знайти застосування при виробництві судових газотурбінних двигунів для підвищення зносостійкості робочих поверхонь деталей, що працюють в умовах контактної взаємодії. Для виготовлення турбінних робочих лопаток використовують жароміцні, жаростійкі нікелеві сплави типу ЧС88У-ВИ, ЧС70У-ВИ та ін. Ці сплави зміцнюються дисперсними виділеннями γ'фази Ni3(AI, Ті), яка має схильність до коагуляції в процесі контактної взаємодії за високих температур, що створює сприятливі умови для збільшення інтенсивності зношування, в тому числі і за рахунок інтенсифікації процесів окиснення поверхневого шару, що збіднюється легуючими елементами. Ці сплави практично не зварюються, тому температура їх нагріву при нанесенні шару сплаву, що зміцнює контактну поверхню, не повинна перевищувати 1220±10 °C, інакше не вдається уникнути падіння міцності основного металу, що відбувається за рахунок деградації γ'-фази, та утворення тріщин в місті наплавлення. В цьому зв'язку сплав, що зміцнює контактну поверхню, повинен, при нанесенні в рідкому стані, мати температуру плавлення не вище 1220±10 °C. При більш високій температурі плавлення нанесення виконують наприклад за допомогою паяння, що не завжди можливо конструктивно. В цьому зв'язку, зносостійкі сплави, які використовуються в судновому газотурбобудуванні, зручно розподілити на дві групи за температурою плавлення: до та понад 1220±10 °C. Вкрай складною проблемою є розробка сплавів, що належать до першої групи, мають необхідний рівень зносостійкості за робочих температур (до 900 °C) та витримують тимчасове термічне навантаження до температури 1150 °C, що близька до температури розчинення γ'фази в основному металі. До сплавів першої групи належить композиція КБНХЛ-2 [Применение жаростойкого материала КБНХЛ-2 для наплавки деталей газовых турбин // Алтухов А.А., Гаврилов О.В. Информационно-технический журнал Сварщик. - 2004. - № 2. - С. 22-23.], що має нікелькобальтову матрицю та містить нікель (35,5-36,5 мас. %), кобальт (20,5-21,5 мас. %), хром (24,525,5 мас. %), карбід хрому (11,5-12,5 мас. %), борид хрому (2,5-3,5 мас. %) та бор (2,9-3,1 мас. %). Відносно висока зносостійкість забезпечується завдяки зміцненню нікель-кобальтової матриці карбідами та боридами хрому. Недоліком сплаву є його низька температура плавлення (~1070-1090 °C). Всі інші відомі сплави можна віднести до другої групи, що вкрай ускладнює їх використання при нанесенні на контактну поверхню наплавленням. Відомий сплав на основі кобальту ВЗК-р [Плазменно-порошковая наплавка стеллитом фиксаторов труб // Сом А.И., Ищенко В.Ю., Малый А.Б. - Информационно-технический журнал "Сварщик". - 2004. - № 2. - С. 18-19.], котрий містить хром (28,0-32,0 мас. %), вольфрам (7,0-11,0 мас. %), вуглець (1,6-2,0 мас. %) як основні легуючі елементи та додатково в невеликій кількості Si, Mn, Ni, В, Fe. Зміцнення сплаву відбувається за рахунок утворення карбідів вольфраму та хрому. Температура стабільної експлуатації цього сплаву не перевищує 600 °C. Відомий сплав на основі нікелю Х30Н50Ю5Т2 [Жаропрочные материалы для аэрокосмической промышленности. В 2 томах. / переклад з англ. Ю.П. Либерова, А.Б. Цепелева. Под ред. акад. Р.Е. Шалина. - М.: Металлургия, 1995. - Том 2-369 с.], котрий містить хром (32,0-36,0 мас. %), алюміній (5,0-6,0 мас. %), титан (1,4-2,1 мас. %), вуглець (1,2-1,6 мас. %) як основні легуючі елементи та додатково в невеликій кількості В, Fe. Відносно висока зносостійкість забезпечується завдяки утворенню інтерметалідів Ni3(AI, Ті) та комплексних карбідів хрому та титану. Такий механізм зміцнення недостатньо ефективний завдяки нестабільності γ'-фази в умовах контактного навантаження за підвищених температур у середовищі, що окиснює. Це сприяє пришвидшеному зношуванню сплаву, що є його суттєвим недоліком. Відомий сплав на основі кобальту ХТН-61 [патент України на корисну модель UA 8240 А, кл. С22С 19/07, опубл. 29.03.96.], що містить хром (19,0-21,0 мас. %), ніобій (15,0-16,0 мас. %), вольфрам (2,7-3,3 мас. %), молібден (1,8-2,2 мас. %), алюміній (0,8-1,2 мас. %), вуглець (1,952,30 мас. %), зміцнюється дисперсними виділеннями монокарбіду ніобію та має високу зносостійкість, що перевищує зносостійкість сплавів на основі нікелю за рахунок стійкої зміцнюючої фази. Суттєвим недоліком сплаву є його низька жаростійкість та втрата властивостей при плавленні (температура плавлення 1360±10 °C), що дозволяє його нанесення на контактні поверхні виключно паянням. Схожий склад має сплав на основі кобальту ХТН-62 [патент України на корисну модель № 39450, опубл. 25.02.2009], що містить хром (5,0-25,0 мас. %), ніобій (13,5-17,0 мас. %), вольфрам (6,0-12,0 мас. %), алюміній (2,0-3,5 мас. %), залізо (2,0-5,0 мас. %), вуглець (1,6-1,9 мас. %). Сплав демонструє високу жаростійкість, однак, порівняно низький вміст карбідної фази 1 UA 111213 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 (NbC) призводить до значного зниження зносостійкості сплаву, що є суттєвим недоліком і не забезпечує необхідного комплексу властивостей в повній мірі. Найближчим аналогом до сплаву є сплав на основі кобальту [Заявка U 2015 12664 від 21.12.2015], що містить як легуючі елементи хром (17,0-18,0 мас. %), молібден (27,0-28,0 мас. %), кремній (2,8-3,2 мас. %) та бор (0,8-1,2 мас. %). При кристалізації утворюється сплав на основі твердого розчину Со+Мо+Cr з рівномірно розподіленими дисперсними комплексними силіцидами та боридами. Бор та кремній, в наведеному співвідношенні, на стадії нанесення розплаву на контактну поверхню, забезпечують його прийнятну температуру плавлення та належну адгезійну активність, а при кристалізації утворюють дисперсну фазу, що зміцнює. Сплав витримує тимчасове термічне навантаження при температурі 1150 °C. Однак, демонструє відносно низьку стабільність характеристик інтенсивності зношування (таблиця). В основу корисної моделі поставлено задачу створення зносостійкого матеріалу підвищеної стабільності, що має більш високий рівень зносостійкості порівняно з аналогом, витримує тимчасове термічне навантаження до температури 1150 °C в середовищі, що окиснює, та який можна наносити в рідкому стані на контактні поверхні за температур їх нагріву не вище 1220±10 °C. Поставлена задача вирішується тим, що зносостійкий композиційний сплав на основі кобальту, що містить хром, молібден, кремній, бор, має прийнятну температуру плавлення сплаву, що не перевищує критичну температуру нагріву основного металу при наплавленні, та забезпечує необхідну зносостійкість при кристалізації розплаву, згідно з корисною моделлю, додатково містить нікель, карбід хрому та має на 10-15 % вищі середні показники зносостійкості при наступному співвідношенні компонентів (мас. %): Сr: 17,0-18,0; Мо: 27,0-28,0, Si: 2,8-3,2; В: 0,8-1,2; Ni: 2,8-3,2; Сr3С2: 1,9-2,1; Co - решта. Утворюється сплав на основі твердого розчину Со+Мо+Cr з рівномірно розподіленими дисперсними комплексними силіцидами, боридами та карбідами, які стабілізують структуру сплаву та підвищують його зносостійкість. Сплав, що заявляється, отримують шляхом електродугового плавлення у вакуумі шихтованих заготовок. При вмісті Сr менше 17 % сплави характеризуються недостатньою жаростійкістю, збільшення вмісту Сr вище 18 %, Si вище 3,2 %, В вище 1,2 % та Сr3С2 вище 2,1 % призводить до появи надлишку легкоплавкої евтектики і, як наслідок, катастрофічного зниження температури плавлення (