Способ получения fecral материала и материал как таковой

Изобретение относится к способу получения FeCrAl материала, а также к материалу как таковому. В предложенном способе получения материала в виде порошкообразного металлургического FeCrAl-го сплава путем распыления газом, содержащего в дополнение к железу, хрому и алюминию неосновные доли одного или нескольких таких элементов, как молибден, гафний, цирконий, иттрий, азот, углерод и кислород, согласно изобретению, получают подлежащий распылению расплав, содержащий 0,05-0,50 мас.% тантала и в то же время менее 0,10 мас.% титана, причем получают расплав такого состава, чтобы полученный после распыления порошок имел следующий состав в мас.%: Cr 15-25, Al 3-7, Мо 0-5, Y 0,05-0,60, Zr 0,01-0,30, Hf 0,05-0,50, Та 0,05-0,50, Ti 0-0,10, С 0,01-0,05, N 0,01-0,06, О 0,02-0,10, Si 0,10-0,70, Mn 0,05-0,50, Р 0-0,08, S 0-0,005, Fe - остальное. Обеспечивается получение материала с хорошими прочностными свойствами. 2 н. и 5 з.п. ф-лы.

 

Настоящее изобретение относится к способу получения FeCrAl-го материала, а также к материалу как таковому.

Было обнаружено, что традиционные сплавы на основе железа, содержащие, типично, Fe и 12-25 мас.% Cr и 3-7 мас.% Аl, т.е. так называемые FeCrAl-ые сплавы, являются чрезвычайно полезными в различных высокотемпературных областях применения благодаря их высокой стойкости к окислению. Так, например, такие материалы используются в производстве элементов электросопротивления и в качестве материалов-носителей в катализаторах для моторного топлива. Как результат содержания алюминия, такой сплав способен к формированию в условиях высоких температур и в большинстве атмосфер непроницаемого и адгезивного поверхностного слоя оксида, состоящего, по существу, из Аl₂O₃. Этот оксид защищает металл от дальнейшего окисления, а также от множества других форм коррозии, таких как науглероживание, осернение и т.д.

Чистый FeCrAl-ый сплав отличается сравнительно низкой механической прочностью в условиях повышенных температур. Такие сплавы являются относительно слабыми при высокой температуре и становятся хрупкими при низкой температуре после того, как подвергались воздействию высоких температур в течение сравнительно долгого времени, из-за роста зерен. Один из путей улучшения высокотемпературной прочности таких сплавов представляет собой введение в сплав неметаллических включений и получение таким путем эффекта дисперсионного отверждения.

Одним из известных путей добавления таких включений является так называемый процесс механического сплавления, в котором компоненты смешивают в твердой фазе. В таком случае смесь тонкодисперсного оксидного порошка, обычно Y₂О₃, и металлического порошка, имеющего FeCrAl-состав, измельчают в высокоскоростной мельнице в течение длительного периода времени до получения гомогенной структуры.

В результате измельчения получают порошок, который затем может быть уплотнен, например, горячей экструзией или горячим изостатическим прессованием с образованием абсолютно плотного продукта.

Несмотря на то, что Y₂О₃ с точки зрения термодинамики можно рассматривать как высокостабильный оксид, при различных условиях мелкие частицы иттрия могут трансформироваться или растворяться в металлической матрице.

Известно, что в процессе механического сплавления частицы иттрия взаимодействуют с алюминием или кислородом, образуя с ними различные виды смешанных Y-Al-оксидов. Состав таких смешанных оксидных включений будет изменяться, а их стабильность уменьшаться в процессе длительного использования материала из-за изменений в окружающей матрице.

Также сообщалось о том, что добавление элемента, склонного к образованию оксида, например такого, как титан, к механически сплавленному материалу, который содержит Y₂О₃ и 12 мас.% Cr, может привести к разделению сложных (Y+Ti)-ыx оксидов, с получением материала, обладающего большей механической прочностью, чем не содержащий титана материал. Прочность при повышенных температурах можно далее улучшить добавлением молибдена.

Таким образом, материал, обладающий хорошими прочностными свойствами, можно получить способом механического сплавления.

Однако механическое сплавление имеет некоторые недостатки. Механическое сплавление осуществляют периодическим способом в высокоскоростных мельницах, в которых компоненты смешивают для получения гомогенной смеси. Партии являются сравнительно ограниченными в объеме, и для полного осуществления процесса измельчения требуется сравнительно много времени. Процесс измельчения также является энергоемким. Основным недостатком механического сплавления является высокая себестоимость продукции.

Способ, в котором получают сплав мелких частиц FeCrAl-го материала без необходимости использования энергоемкого высокоскоростного измельчения, был бы чрезвычайно выгодным с точки зрения затрат.

Было бы желательно, если бы материал можно было получать путем распыления газом, т.е. с получением тонкодисперсного порошка, который затем прессуют. Этот способ является менее дорогостоящим по сравнению с тем, в котором порошок получают измельчением. Очень мелкие карбиды и нитриды осаждаются в процессе быстрого затвердевания, причем такие карбиды и нитриды являются крайне желательными.

Однако титан представляет серьезную проблему при распылении FeCrAl-го материала. Проблема состоит в том, что до распыления в расплавленном металле образуются мелкие частицы, в основном TiN и TiC. Поскольку расплавленный металл проходит через сравнительно мелкую керамическую форсунку перед распылением, такие частицы прикрепляются к форсунке и постепенно скапливаются там. Это приводит к забиванию форсунки, вызывая необходимость прерывания процесса распыления. Такие остановки производственного процесса являются проблематичными и дорогостоящими. Следовательно, FeCrAl-ые материалы, которые содержат титан, на практике нельзя получать распылением.

Настоящее изобретение решает эту проблему и относится к способу, в котором FeCrAl-ый материал можно получать посредством распыления.

Настоящее изобретение, таким образом, предлагает способ получения FeCrAl-го материала путем распыления газом, при этом указанный материал также содержит в дополнение к железу (Fe), хрому (Cr) и алюминию (Al) неосновные доли одного или нескольких таких элементов, как молибден (Мо), гафний (Hf), цирконий (Zr), иттрий (Y), азот (N), углерод (С) и кислород (О), отличающийся тем, что получают подлежащий распылению расплав, содержащий 0,05-0,50 мас.% тантала (Та) и в то же время менее 0,10 мас.% титана (Ti), причем получают расплав такого состава, чтобы полученный после распыления порошок имел следующий состав в мас.%:

Cr 15-25

Аl 3-7

Мо 0-5

Y 0,05-0,60

Zr 0,01-0,30

Hf 0,05-0,50

Та 0,05-0,50

Ti 0-0,10

С 0,01-0,05

N 0,01-0,06

О 0,02-0,10

Si 0,10-0,70

Mn 0,05-0,50

Р 0-0,08

S 0-0,005

Fe остальное

Изобретение также предлагает высокотемпературный материал в виде порошкообразного металлургического FeCrAl-го сплава, полученного путем распыления газом, при этом указанный материал в дополнение к железу (Fe), хрому (Cr) и алюминию (Al) также содержит неосновные доли одного или нескольких таких элементов, как молибден (Мо), гафний (Hf), цирконий (Zr), иттрий (Y), азот (N), углерод (С) и кислород (О), отличающийся тем, что полученный после распыления газом порошок имеет следующий состав в мас.%:

Cr 15-25

Аl 3-7

Мо 0-5

Y 0,05-0,60

Zr 0,01-0,30

Hf 0,05-0,50

Та 0,05-0,50

Ti 0-0,10

С 0,01-0,05

N 0,01-0,06

О 0,02-0,10

Si 0,10-0,70

Mn 0,05-0,50

Р 0-0,08

S 0-0,005

Fe остальное

Было обнаружено, что тантал придает прочностные свойства, сравнимые с теми, которые получают при использовании титана, в то же время TiC и TiN не образуются в количествах, забивающих форсунку. Это относится даже к тому случаю, когда расплав содержит 0,10 мас.% титана.

Таким образом, является возможным получение указанного материала путем распыления газом с использованием тантала вместо по меньшей мере части количества титана.

Является обычным и возможным использование аргона (Ar) в качестве распыляющего газа. Однако аргон частично адсорбируется на доступных поверхностях, с которыми он соприкасается, и частично в порах зерен порошка. В связи с последующим термоуплотнением и термообработкой продукта аргон будет накапливаться под действием высокого давления в микродефектах. Такие дефекты разбухают, образуя поры при дальнейшем использовании в условиях низкого давления и высокой температуры, ухудшая таким образом прочность продукта.

Порошок, который распыляют при помощи газообразного азота, не ведет себя так, как это делает материал, полученный с помощью аргона, поскольку азот обладает лучшей растворимостью в металле, чем аргон, а также поскольку азот способен образовывать нитриды. При распылении с помощью чистого газообразного азота алюминий будет взаимодействовать с этим газом, поэтому может произойти заметное азотирование поверхностей зерен порошка. Такое азотирование затрудняет образование связей между зернами порошка при горячем изостатическом прессовании (HIP), вызывая трудности в процессе термообработки или переработки полученной заготовки. Кроме того, отдельные зерна порошка могут быть настолько сильно азотированы, что это приводит к связыванию большей части алюминия в виде нитридов. Такие частицы не способны к образованию защитного оксида. Следовательно, они могут помешать образованию оксида, если присутствуют близко к поверхности конечного продукта.

Было обнаружено, что некоторое окисление поверхностей порошка получают в том случае, когда контролируемое количество газообразного кислорода добавляют в газообразный азот, одновременно значительно снижая при этом азотирование. Риск нарушений в оксидном слое также значительно уменьшается.

Следовательно, в соответствии с одним особенно предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения в качестве распыляющего газа используют газообразный азот (N₂), к которому добавляют определенное количество газообразного кислорода (О₂), которое является таким, что приводит к содержанию в распыленном порошке 0,02-0,10 мас.% кислорода (О), в то время как содержание азота в порошке составляет 0,01-0,06 мас.%.

В соответствии с особенно предпочтительным вариантом осуществления изобретения получают расплав такого состава, чтобы полученный после распыления порошок имел следующий примерный состав в мас.%:

Cr 21

Аl 4,7

Мо 3

Y 0,2

Zr 0,1

Hf 0,2

Та 0,2

Ti <0,05

С 0,03

N 0,04

О 0,06

Si 0,4

Mn 0,15

Р <0,02

S <0,001

Fe остальное

После термообработки предел ползучести или сопротивление ползучести материала в большой степени зависит от присутствия оксидов иттрия и тантала и карбидов гафния и циркония.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения значение формулы ((3×Y+Та)×О)+((2×Zr+Hf)×(N+C)), в которой элементы заменяются выраженным в мас.% количеством соответствующих элементов в расплаве, составляет больше 0,04, но меньше 0,35.

Хотя изобретение было описано выше со ссылкой на несколько его вариантов осуществления, приведенных в качестве примеров, должно быть понятно, что состав материала можно до некоторой степени модифицировать с получением при этом удовлетворительного материала.

Настоящее изобретение поэтому не ограничивается указанными вариантами осуществления, поскольку могут быть предложены другие варианты, охватываемые прилагаемой формулой изобретения.

1. Способ получения материала в виде порошкообразного металлургического FeCrAl-го сплава путем распыления газом, при этом указанный материал также содержит в дополнение к железу (Fe), хрому (Cr) и алюминию (Аl) неосновные доли одного или нескольких таких элементов, как молибден (Мо), гафний (Hf), цирконий (Zr), иттрий (Y), азот (N), углерод (С) и кислород (О), отличающийся тем, что получают подлежащий распылению расплав, содержащий 0,05-0,50 мас.% тантала (Та) и в то же время менее 0,10 мас.% титана (Ti), причем получают расплав такого состава, чтобы полученный после распыления порошок имел следующий состав, мас.%:

Cr 15-25

Аl 3-7

Мо 0-5

Y 0,05-0,60

Zr 0,01-0,30

Hf 0,05-0,50

Та 0,05-0,50

Ti 0-0,10

С 0,01-0,05

N 0,01-0,06

О 0,02-0,10

Si 0,10-0,70

Mn 0,05-0,50

Р 0-0,08

S 0-0,005

Fe остальное.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве распыляющего газа используют газообразный азот (N₂) и добавляют к нему определенное количество газообразного кислорода (О₂), которое является таким, чтобы полученный после распыления порошок содержал 0,02-0,10 мас.% кислорода (О) и в то же время, чтобы содержание азота в указанном порошке составляло 0,01-0,06 мас.%.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что получают расплав такого состава, чтобы полученный после распыления порошок имел следующий примерный состав, мас.%:

Cr 21

Аl 4,7

Мо 3

Y 0,2

Zr 0,1

Hf 0,2

Та 0,2

Ti <0,05

С 0,03

N 0,04

О 0,06

Si 0,4

Mn 0,15

Р <0,02

S <0,001

Fe остальное.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что значение формулы ((3·Y+Ta)·O)+((2·Zr+Hf)·(N+C), в которой элементы представлены в мас.% в расплаве, должно быть больше 0,04, но меньше 0,35.

5. Высокотемпературный материал в виде порошкообразного металлургического FeCrAl-го сплава, полученного путем распыления газом, при этом указанный материал в дополнение к железу (Fe), хрому (Cr) и алюминию (Аl) также содержит неосновные доли одного или нескольких таких элементов, как молибден (Мо), гафний (Hf), цирконий (Zr), иттрий (Y), азот (N), углерод (С) и кислород (О), отличающийся тем, что полученный после распыления газом порошок имеет следующий состав, мас.%:

Cr 15-25

Аl 3-7

Мо 0-5

Y 0,05-0,60

Zr 0,01-0,30

Hf 0,05-0,50

Та 0,05-0,50

Ti 0-0,10

С 0,01-0,05

N 0,01-0,06

О 0,02-0,10

Si 0,10-0,70

Mn 0,05-0,50

Р 0-0,08

S 0-0,005

Fe остальное.

6. Высокотемпературный материал по п.5, отличающийся тем, что полученный порошок имеет следующий примерный состав, мас.%:

Cr 21

Аl 4,7

Мо 3

Y 0,2

Zr 0,1

Hf 0,2

Та 0,2

Ti <0,05

С 0,03

N 0,04

О 0,06

Si 0,4

Mn 0,15

Р <0,02

S <0,001

Fe остальное.

7. Высокотемпературный материал по п.5 или 6, отличающийся тем, что значение формулы ((3·Y+Ta)·O)+((2·Zr+Hf)·(N+C), в которой элементы представлены в мас.% в расплаве, должно быть больше 0,04, но меньше 0,35.