Хром-кобальт-иттриевый алюминид и способ его получения

 

Изобретение относится к новым химическим соединениям, в частности к хром-кобальт-иттриевому алюминиду с низким содержанием иттрия состава Cr_0,180 Co_0,215 Al_0,60 Y_0,005, который может быть применен в качестве материала для жаростойких плазменных покрытий никелевых сплавов, работающих при 900-1000^oС в длительном режиме. Предложен способ, включающий сплавление хрома, алюминия, кобальта и иттрия в среде гелия путем трехкратного переплава, хрома, кобальта, алюминия и иттрия в соотношении 0,18:0,215:0,60:0,005 при 1500-1600^oС при давлении 350-400 мм рт. ст. в течение 15-25 мин, охлаждение со скоростью 25-35 град/с, гомогенизирующий вакуумный отжиг при 950-1000^oС в течение 18-20 ч. Техническим результатом изобретения является получение нового химического соединения хром-кобальт-иттриевого алюминида с низким содержанием иттрия, обладающего большой жаростойкостью, позволяющей использовать его как материал для плазменного легирования жаростойких сплавов на никелевой основе, работающих при высоких температурах в длительном режиме. 2 с.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к новым химическим соединениям, в частности к хром-кобальт-иттриевому алюминиду с низким содержанием иттрия - состава Cr_0,180 Со_0,215 А1_0,60 Y_0,005, который может быть применен в качестве материала для жаростойких плазменных покрытий никелевых сплавов, работающих при температурах 900-1000^oС в длительном режиме.

Известен многокомпонентный сплав, содержащий Со, Cr, Al, Y, Ni, применяемый в качестве защитного покрытия [1]. Недостаток этого покрытия заключается в том, что каждый химический элемент этого сплава действует на матрицу раздельно, что не обеспечивает достаточной диффузии элементов и высокой жаростойкости покрытия.

Известен хром-кобальт-иттриевый алюминида Сr_0,195Со_0,137Y_0,178Al_0,49, используемый как упрочняющий материал при плазменном легировании никелевых сплавов [2].

Недостатком этого алюминида является высокая стоимость, так как для его получения необходимо применять значительное количество дорогостоящего элемента иттрия.

Известен способ получения химического соединения (хром-кобальт-иттриевого алюминида), включающий сплавление хрома, кобальта, иттрия и алюминия в среде гелия путем трехкратного переплава, охлаждение и отжиг в вакууме [2].

Недостатком этого способа является то, что получаемый материал термически нестабилен, что проявляется при его медленном охлаждении.

Задача, решаемая изобретением, состоит в получении нового химического соединения хром-кобальт-иттриевого алюминида с низким содержанием иттрия состава Cr_0,180Cо_0,215Al_0,215Y_0,005, обладающего большой жаростойкостью, превышающей это свойство у более дорогого сплава Cr_0,195Co_0,137Y_0,173Al_0,49, позволяющей использовать его как материал для плазменного легирования жаростойких сплавов на никелевой основе, работающих при высоких температурах в длительном режиме.

В известном способе получения химического соединения, включающем сплавление хрома, кобальта, иттрия и алюминия в среде гелия путем трехкратного переплава, охлаждение и гомогенизирующий отжиг в вакууме [2], согласно изобретению сплавляют элементы хром, кобальт, алюминий и иттрий в соотношении 0,180:0,215:0,600:0,005 при 1500-1600^oС при давлении 350-400 мм рт. ст. путем трехкратного переплава в течение 15-25 мин, охлаждают со скоростью 25-35 град/с, отжиг проводят в вакууме при 950-1000^oС в течение 18-20 ч.

Исходные материалы чистотой не менее 99,92-99,95% загружают в электродуговую вакуумную печь с медным дном и сплавляют при 1500-1600^oС в атмосфере чистого гелия при давлении 350-400 мм рт.ст. путем трехкратного переплава в течение 15-25 мин и охлаждением со скоростью 25-35 град/с. Затем проводят гомогенизирующий вакуумный отжиг материала при 950-1000^oС в течение 18-20 ч. В результате такой обработки получают хрупкий, плотный, блестящий материал, имеющий микротвердость, измеренную на приборе ПМТ-3, равную 7,2±0,10 ГПа. По результатам рентгенографического анализа, проведенного на установке ДРОН-3 методом Θ/2Θ в монохрометрическом СuKα-излучении, алюминид состава Со_0,215Сr_0,180Al_0,600Y_0,005 имеет моноклинную сингонию с параметрами а= 4,0406А, в= 4,0446А, с=7,7636А, β=95,55 с ошибкой в определении параметров решетки 0,005А, тогда как в случае ранее полученного алюминида [2] тип решетки и ее параметры были иными, как и его свойства, в частности более низкая микротвердость.

Полученный хром-кобальт-иттриевый алюминид с низким содержанием иттрия измельчали с классификацией по крупности от +50 до -100 мкм для газотермического напыления на образцы монокристаллического сплава ЖС-32. Плазменное напыление полученного порошка алюминида с низким содержанием иттрия на монокристаллический образец состоит из следующих операций: дробеструйной обработки рабочей поверхности матрицы, ее обезжиривания, нагрева до 120-150^oС и нанесения покрытия толщиной 80-120 мкм за 2-3 прохода плазмотрона. После этого для уплотнения плазменного покрытия образцы подвергались струйной обработке микросферами диаметром 40-80 мкм. Окончательные операции включали вакуумный отжиг при 900^oС в течение 3-4 ч и вторичный отжиг при температуре 950-1000^oС в течение 18-20 ч в атмосфере гелия. В результате поверхность образца получалась двухслойной, состоящей из собственно покрытия и диффузионного слоя элементов покрытия в металл матрицы. Это обеспечивало высокую работу адгезии покрытия к матрице и легирование элементами покрытия наружных слоев матричного металла глубиной до 200-300 мкм. Вледствие такой технологии покрытия с двухстадийным отжигом проведенные затем длительные циклические испытания их в воздушной среде при температуре 1000^oС на жаростойкость показали высокую коррозионную стойкость образцов, что видно из приведенной ниже таблицы.

В таблице указано: а) г - абсолютное изменение веса образцов в граммах, б) г/см²•ч - относительное изменение веса образцов в граммах на см² площади поверхности в час. В колонках таблицы приведены конкретные значения этих величин в зависимости от времени выдержки образцов (ч) 91,49, 198,56, 290,65, 395,55, 494,86, 597,68, 691,17, 801,41. В частности в образце ЖС-32 М 40-100 после выдержки 91,49 ч абсолютное изменение веса составляет - -0,0049 г, а относительное изменение - -0,0000091 г/см²•ч. Соответственно для образца ЖС-32 М 38-100 эти показатели составляют: абсолютное изменение - -0,0072 г, относительное изменение веса - -0,0000234 г/см²•ч.

В продолжении 1 таблицы приведено относительное изменение веса образцов ЖС-32 Моно к весу образца, напыленного сплавом М 40-100 - 12,66, сплавом М 38-100 - 4,92 и относительное изменение веса этих образцов относительно друг друга - 2,57.

В продолжении 2 таблицы указано абсолютное и относительное изменение веса образцов за время (ч) 898,98, 1001,39, 1099,65, 1197,66, 1298,23, 1400,54, а в строках 5, 6 относительное изменение веса образцов Моно ЖС-32 (чистый без покрытия) к образцу ЖС-32 М 40-100 (с напылением чистым сплавом М 40) - 3,82, далее с напылением сплавом М 38-100 - 1,60. В последней строке таблицы приведено относительное изменение веса образцов с покрытием сплавом М 38-100 к весу образца с покрытием сплавом М 40-100 - 2,39.

Из помещенных в таблице данных следует, что новое химическое соединение (хром-кобальт-иттриевый алюминид с низким содержанием иттрия Cr_0,180Со_0,215Al_0,60Y_0,005) позволяет увеличить коррозионную стойкость монокристаллических образцов сплава ЖС-32 при 700 ч выдержки при 1000^oС до 20 раз, а при 1300-1400 ч в 3 раза. Одновременно следует отметить, что покрытие образцов этого же сплава более дорогим алюминидом Cr_0,195Со_0,137Y_0,178Al_0,49 имеет жаростойкость при этих же выдержках, в 2,2 раза более низкую, чем в случае нового алюминида.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ 1. Патент США 4897315, B 22 F 3/00.

2. Патент РФ 2131947, МКИ С 22 С 21/00, 27/06.

Формула изобретения

1. Хром-кобальт-иттриевый алюминид, характеризуемый составом Cr_0,180Co_0,215Al_0,60Y_0,005 в качестве материала для плазменного легирования жаростойких сплавов.

2. Способ получения химического соединения, включающий сплавление хрома, алюминия, кобальта и иттрия в среде гелия путем трехкратного переплава, охлаждение и гомогенизирующий вакуумный отжиг, отличающийся тем, что хром, кобальт, алюминий и иттрий сплавляют в соотношении 0,180:0,215:0,60:0,005 при 1500-1600°С при давлении 350-400 мм рт. ст. путем трехкратного переплава в течение 15-25 мин, охлаждают со скоростью 25-35 град/с, а гомогенизирующий вакуумный отжиг проводят при 950-1000°С в течение 18-20 ч.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3