Сплав на основе кобальта

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к разработке сплавов на основе кобальта для нанесения коррозионно-стойких покрытий на детали горячего тракта газотурбинных установок для защиты их от сульфидно-окисной коррозии. Сплав содержит следующие компоненты, мас. хром 26 30; алюминий 6 8; иттрий 0,3 1,5; кремний 1,5 4,5; металл второй основной группы 0,1 0,5; оксид металла второй основной группы 0,1 1,0; кобальт остальное.

Изобретение относится к металлургии, в частности к разработке сплавов на основе кобальта, которые могут применяться для нанесения коррозионно-стойких покрытий на детали горячего тракта газотурбинных установок для защиты их от сульфидно-окисной коррозии.

Известен сплав на основе кобальта, содержащий хром, алюминий, иттрий при следующем соотношении ингредиентов, мас. Хром 8,0-30,0 Алюминий 5,0-15,0 Иттрий 0-1,0 Кобальт Остальное [1] Данный сплав обладает коррозионной стойкостью, обеспечивающей ресурс работы 1000 ч при использовании его в покрытиях на изделиях, работающих в среде продуктов сгорания углеводородных топлив, содержащих примеси натрия, ванадия, серы, хлора.

Недостатком этого сплава является недостаточный уровень коррозионной стойкости при использовании его в покрытиях на изделиях, работающих в среде продуктов сгорания углеводородных топлив, содержащих примеси натрия, ванадия, серы, хлора при температуре более 700^оС с требуемым ресурсом работы. Кроме того, указанный сплав обладает низкой технологичностью, так как при нанесении покрытий плазменным методом на воздухе происходит значительное окисление иттрия и алюминия, за счет чего теряются служебные свойства полученного покрытия.

Известен также сплав на основе кобальта, содержащий хром, алюминий, иттрий, кремний при следующем соотношении ингредиентов, мас. Хром 12,5-20,0 Алюминий 2,0-8,0 Иттрий 0-0,25 Кремний 2,0-6,0 Кобальт Остальное [2] Данный сплав применяется в качестве покрытия на изделиях из суперсплавов и обладает стойкостью против образования окислов и сульфидов в поверхностном слое за счет растворенного в матрице покрытия кремния.

Недостатком этого сплава является невысокое содержание иттрия, который необходим для обеспечения стойкости защитной пленки к растрескиванию и расслаиванию. Кроме того указанный сплав не обеспечивает надежной защиты от коррозии в среде продуктов сгорания топлива, содержащего повышенные концентрации серы, а особенно хлора и ванадия.

Наиболее близким к предлагаемому является сплав на основе кобальта, содержащий хром, алюминий, иттрий, кремний при следующем соотношении ингредиентов, мас. Хром 5,0-40,0 Алюминий 8,0-35,0 Иттрий 0,1-2,0 Кремний 1,0-7,0 Кобальт Остальное (патент США N 4585481, кл. 106-14.05, 1986).

Недостатком этого сплава является содержание кремния более 4,5 мас. приводящее к понижению пластичности покрытия и, как следствие, невозможности его использования в "пиковых" газотурбинных установках с резкими перепадами температур. Кроме того, не удается исключить окисления иттрия и кремния в процессе нанесения покрытия плазменным методом. Указанный сплав не обеспечивает надежной защиты от коррозии в среде продуктов сгорания топлива, содержащего повышенные концентрации серы, а особенно хлора и ванадия.

Для устранения перечисленных недостатков в известный сплав на основе кобальта, содержащий хром, алюминий, иттрий, кремний, дополнительно введен один из металлов второй основной группы (магний, кальций, барий, стронций) как в растворенном виде, так и в виде оксида при следующем соотношении ингредиентов, мас. Хром 26,0-30,0 Алюминий 6,0-8,0 Иттрий 0,3-1,5 Кремний 1,5-4,5 Металл II ос- новной группы (магний, каль- ций, барий, стронций) 0,1-0,5 Оксид соответ- ствующего ме- талла II основ- ной группы 0,1-1,0 Кобальт Остальное Кобальтовая основа сплава и содержание хрома и алюминия в указанных пределах обеспечивают двухфазную основу полученного покрытия, матрица γ -фазы на базе CoCr и выделение β CoAl. За счет содержания алюминия в указанных пределах на поверхности покрытия образуется защитная пленка Al₂O₃, которая обуславливает высокую коррозийную стойкость полученного покрытия. Иттрий в указанных пределах обеспечивает стойкость защитной пленки к растрескиванию и отслаиванию. Введение в состав сплава для нанесения покрытия кремния и одного из металлов второй основной группы в растворенном виде и в виде оксида в указанных пределах повышает коррозионную стойкость γ -матрицы полученного покрытия на изделии, работающем в интервале температур 700-850^оС. Сочетание кремния, металла второй основной группы и его оксида в указанных пределах позволяет сохранить работоспособность полученного покрытия при плазменном нанесении на воздухе. Наличие в полученном покрытии одного из металлов второй основной группы (магния или кальция, или бария, или стронция) в указанных пределах позволяет практически полностью исключить окисление иттрия и кремния в процессе нанесения покрытия плазменным способом за счет преимущественного окисления этого металла.

Более низкое содержание кремния, металла второй основной группы и его оксида в данном сплаве на основе кобальта не дает увеличения коррозионной стойкости, особенно при использовании плазменного метода нанесения покрытий.

Более высокое содержание в описываемом сплаве кремния, иттрия и металла второй основной группы в растворенном виде и в виде его оксида ухудшает механические свойства полученного покрытия за счет увеличения хрупкости, уменьшения коэффициента термического расширения, что приводит к растрескиванию и отслаиванию покрытия и соответственно к снижению его защитных свойств в условиях сульфидно-окисной коррозии.

За счет дополнительного содержания в полученном сплаве оксида металла второй основной группы в указанных пределах обеспечивается уменьшение влияния коррозионно-активных компонентов, находящихся в топливе (Na₂SO₄ и V₂O₅) на покрытие путем образования термодинамически стабильных сульфатов и ванадатов.

П р и м е р. Были проведены испытания сплава на основе кобальта состава, мас. хром 28,5; алюминий 6,8; иттрий 1,2; кремний 2,4; кальций 0,15; оксид кальция 0,3; кобальт остальное, при 850^оС в среде, имитирующей состав газообразных продуктов сгорания жидкого турбинного топлива. Образцы свободно размещали на специальных подставках в рабочей камере испытательной установки. Одновременно испытывались 18 образцов. Через рабочую камеру с заданной скоростью пропускали газовую среду, имитирующую состав продуктов сгорания жидкого топлива. Кроме того, через каждые 200 ч на образцы наносили синтетическую обмазку, имитирующую золовые отложения следующего состава, мас. Na₂SO₄ 21,7; V₂O₅ 2,6; Cr₂O₃ 25,12; F₂O₃ 9,0; NiO 11,71; Al₂O₃ 16,22; MoO₃ 2,45; SiO₂ 11,17.

Подготовленные к испытанию образцы помещались все вместе в реакционную зону испытательной печи, после чего печь включалась на нагрев, до заданной температуры испытаний. Отсчет времени испытания образцов велся с момента достижения заданной температуры. Максимальная выдержка составляла 3000 ч. После прохождения определенной временной базы (2000 ч) печь выключалась. Выгрузку образцов проводили из холодной печи. Затем проводили визуальный осмотр на наличие коррозионных язв, после чего на изготовленных металлографических шлифах с помощью микроскопа МИМ-8М при увеличении 500 и методом микрорентгеноспектрального анализа с помощью микрозонда и растрового электронного микроскопа определяли глубину коррозионного воздействия по величине зоны обезлегирования покрытия.

Результаты исследований свидетельствуют о том, что покрытие, полученное из сплава указанного выше состава, при испытании в течение 3000 ч не разрушилось, а прогноз долговечности покрытий показывает ожидаемый ресурс не менее 16000 ч эксплуатации в среде продуктов сгорания жидкого газотурбинного топлива, содержащей высокие концентрации натрия, серы, ванадия и более 30000 ч в среде продуктов сгорания природного газа.

Формула изобретения

СПЛАВ НА ОСНОВЕ КОБАЛЬТА преимущественно для защиты покрытий деталей горячего тракта газотурбинных установок, содержащий хром, алюминий, иттрий, кремний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит металл второй основной группы и его оксид при следующем соотношении компонентов, мас.

Хром 26,0 30,0 Алюминий 6,0 8,0 Иттрий 0,3 1,5 Кремний 1,5 4,5 Металл второй основной группы 0,1 0,5
Оксид металла второй основной группы 0,1 1,0
Кобальт Остальное