Жаропрочный сплав на основе кобальта и изделие, выполненное из этого сплава

Изобретение относится к области металлургии жаропрочных деформируемых свариваемых сплавов на основе кобальта и может быть использовано для изготовления жаровых труб камер сгорания, стабилизаторов пламени и других горячих узлов и двигателей ГТД, работающих при температуре до 1300°С. Предложены жаропрочный сплав на основе кобальта и изделие, выполненное из него. Сплав содержит, в мас.%: углерод - 0,01-0,06; хром - 24,0-34,0; никель - 20,0-35,0; вольфрам - 7,0-14,0; молибден - 0,5-5,0; титан - 1,3-3,5; азот - 0,3-3,0; лантан - 0,003-0,10; магний - 0,003-0,08; бор - 0,0003-0,008; церий - 0,0003-0,06; кобальт - остальное. Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение значений характеристик жаропрочности и жаростойкости сплава на основе кобальта. 1 з.п.ф-лы, 2 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии жаропрочных деформируемых свариваемых сплавов на основе кобальта и изделий, выполненных из этих сплавов для авиационной техники, машиностроения и других отраслей народного хозяйства, и может быть использовано для изготовления жаровых труб камер сгорания, стабилизаторов пламени, теплозащитных экранов и других горячих узлов и двигателей ГТД, работающих при температурах до 1300°С.

Параметры горячих узлов ГТД возрастают с повышением температуры горения газа вплоть до стехиометрической.

Повышение температуры газа может быть достигнуто путем разработки новых, более жаропрочных по сравнению с серийными сплавов. Однако для материалов на никелевой основе возможности существенного увеличения жаропрочности свариваемых сплавов практически исчерпаны. В силу этих причин актуальной становится задача разработки сплавов на кобальтовой основе.

Кобальтовые сплавы являются наиболее высокотемпературными материалами из свариваемых сплавов, поэтому основными требованиями к ним являются высокое значение пределов длительной прочности в области рабочих температур 900-1300°С, хорошая деформируемость, позволяющая получить качественный холоднокатаный лист, хорошие свариваемость и жаростойкость.

Применение сплавов, обладающих указанными свойствами, позволяет улучшить весь комплекс технических характеристик двигателя, повысить его ресурс и надежность, снизить расход топлива.

Из серийных отечественных деформируемых свариваемых сплавов наиболее жаропрочным в настоящее время является сплав ВЖ-145 следующего химического состава (мас.%).

кобальт	25,0÷32,0;
хром	20,0÷25,0;
вольфрам	10,0÷16,0;
алюминий	0,2÷0,7;
углерод	0,02÷0,1

элемент выбранный из группы:

ниобий или лантан	0,01÷0,1
никель	остальное

(Авторское свидетельство №1072501, БИ №40, 1990 г.).

Сплав на никелевой основе ВЖ145 обладает хорошими технологическими показателями деформируемости и свариваемости, но его рабочая температура ограничена 1030-1040°С, что определяет достаточно высокий расход воздуха на охлаждение наиболее высокотемпературных узлов и деталей двигателя, снижающий параметры последнего.

Известен также жаропрочный деформируемый свариваемый сплав на основе никеля, ВЖ155, который упрочняется посредством химико-термической обработки и имеет существенно более высокие, чем сплав ВЖ145, показатели жаропрочности и рабочих температур. Сплав имеет следующий химический состав (мас.%):

углерод	0,01÷0,07
хром	20,0÷30,0
кобальт	10,0÷20,0
вольфрам	5,0÷16,0
молибден	0,5÷5,0
титан	2,0÷4,0
лантан	0,02÷0,08
магний	0,02÷0,10
азот	0,5÷2,0
никель	остальное

(Патент РФ №2164959).

Данный сплав может длительно эксплуатироваться до температуры 1200°С.

Однако для перспективных двигателей 5-6 поколения остро стоит вопрос о разработке сплава, способного к длительной эксплуатации при температурах до 1300°С.

Для выполнения этого требования рассматриваемый сплав не обладает необходимым уровнем жаропрочности и жаростойкости.

Наиболее близким по составу и назначению к предлагаемому сплаву является высокотемпературный жаропрочный деформируемый свариваемый сплав Hajnes alloy No 188 на основе кобальта, имеющий следующий химический состав (мас.%):

углерод	0,01÷0,15
хром	21,0÷23,0
вольфрам	13,0÷15,0
никель	20,0÷24,0
лантан	0,03÷0,12
кремний	0,2÷0,50
железо	max 3,0
марганец	max 1,25
бор	0,015
кобальт	остальное

(Патент США №3418111).

Сплав Hajnes 188, как и сплав ВЖ145, обладает хорошими технологическими характеристиками, но может применяться для деталей, длительно работающих при температурах не выше 1150°С, а относительно невысокие показатели жаростойкости не позволяют обеспечить при этих температурах длительный ресурс их работы.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка высокожаропрочного свариваемого сплава на основе кобальта, обладающего повышенными значениями характеристик жаропрочности, жаростойкости при рабочей температуре до 1300°С, а также изделия, выполненного из этого сплава толщиной до 10 мм.

Для решения поставленной задачи предлагается жаропрочный сплав на основе кобальта, содержащий: углерод, хром, никель, вольфрам, лантан, бор, отличающийся тем, что он дополнительно содержит молибден, титан, азот, магний, церий при следующим соотношении компонентов (мас.%):

Углерод	0,01÷0,06
хром	24,0÷34,0
никель	20,0÷35,0
вольфрам	7,0÷14,0
молибден	0,5÷5,0
титан	1,3÷3,5
азот	0,3÷3,0
лантан	0,003÷0,10
магний	0,003÷0,08
бор	0,0003÷0,008
церий	0,0003÷0,06
кобальт	остальное

и изделие, выполненное из него.

Введение в предлагаемый сплав молибдена повышает его жаропрочность как за счет увеличения легированности γ-твердого раствора, так и посредством изменения электронной структуры последнего.

Легирование азотом и титаном позволяет образовывать мелкодисперсные частицы нитридов титана, обладающие высокой структурной стабильностью вплоть до плавления основы и выполняющие функции упрочняющей фазы. Кобальтовая основа предлагаемого сплава обеспечивает высокие скорости диффузии титана и азота и соответственно образование их нитридов на глубине до 5÷10 мм, что позволяет изготавливать из него не только листы, но и кольца.

Усложнение микролегирования сплава посредством введения магния и церия улучшает деформируемость материала за счет повышения его чистоты от легкоплавких и неметаллических включений и лучшего качества границ зерен, что позволяет также улучшить жаропрочность на верхних границах температур испытания, где имеет место зернограничное разрушение, и повышает жаростойкость материала при температурах 900÷1300°С за счет образования более качественной окисной пленки.

ПРИМЕРЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Для практического осуществления изобретения в лабораторных условиях вакуумно-индукционной печи были выплавлены сплавы предлагаемого состава, прототип и аналог. В таблице 1 представлены химические составы сплавов, где примеры 1-3 предлагаемые состав, 4 - прототип-HS 188, 5 - аналог-ВЖ155.

Заливка металла плавок производилась в круглые металлические изложницы. Полученные слитки были обточены резцом по конусной поверхности «как чисто», а затем прокованы сутунки. Сутунки были простроганы с поверхности и прокатаны с нагрева 1130°С на горячекатаные листы толщиной 2 мм. Горячекатаные листы отожжены при температуре 1110°С и подвергнуты щелочно-кислотному травлению поверхности. После травления листы прокатаны на холоднокатаные листы толщиной 1,0 мм.

Холоднокатаные листы в печи CS-80 подвергнуты химико-термической обработке в токе азота, после чего из них изготовлены образцы для испытания механических свойств. Результаты испытания представлены в таблице 2.

Как видно из данных таблицы 2, предлагаемый сплав превосходит прототип и аналог по максимальной рабочей температуре на 80÷250°С, по значениям временного сопротивления и пределам длительной прочности в области температур работы на 30÷40%, а по жаростойкости в 1,5÷2 раза.

Таким образом, применение предлагаемого сплава позволит повысить весь комплекс технических характеристик двигателя, а также ресурс и надежность таких его элементов, как жаровые трубы камер сгорания, стабилизаторов пламени, теплозащитных экранов и других горячих узлов и деталей.

Предлагаемый сплав найдет применение в ГТД нового поколения, также газотурбинных и газоперекачивающих установках.

Таблица 1 Химический состав сплава и сплава прототипа и аналога.
Хим. эл-т №пл.	С	Сч	Ni	W	Mo	Ti	N	La	Mg	В	Се	Со
1	0,01	24,0	20,0	7,0	0,5	1,3	0,30	0,003	0,003	0,0003	0,0003	Ост.
2	0,03	29,0	27,6	10,4	2,8	2,5	1,51	0,04	0,034	0,0045	0,024	Ост.
3	0,06	34,0	35,0	14,0	5,0	3,5	3,00	0,1	0,080	0,008	0,06	Ост.
4	0,09	22,1	21,8	14,2	-	-	-	0,08	-	0,007	-	Ост.
5	0,04	26,8	OCT.	9,6	2,2	2,9	1,43	0,05	0,050	-	-	15,4

1. Жаропрочный сплав на основе кобальта, содержащий углерод, хром, никель, вольфрам, лантан, бор, отличающийся тем, что он дополнительно содержит молибден, титан, азот, магний, церий при следующим соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,01-0,06
Хром	24,0-34,0
Никель	20,0-35,0
Вольфрам	7,0-14,0
Молибден	0,5-5,0
Титан	1,3-3,5
Азот	0,3- 3,0
Лантан	0,003-0,10
Магний	0,003-0,08
Бор	0,0003-0,008
Церий	0,0003-0,06
Кобальт	Остальное

2. Изделие из жаропрочного сплава на основе кобальта, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п.1.