Гранулируемый сплав на основе хрома и изделие, выполненное из него
Владельцы патента RU 2633680:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU)
Изобретение относится к области металлургии, а именно к гранулируемым интерметаллидным сплавам, и может быть использовано для изготовления инструментов для высокотемпературной изотермической штамповки. Предложен сплав на основе хрома, содержащий, мас.%: 20,0-40,0 молибдена, 3,0-15,0 железа, 0,05-0,5 кислорода, 0,01-5,0 вольфрама, хром - остальное. Технический результат - повышение рабочей температуры до 1250°С, обеспечение рабочего ресурса до 50 испытаний с усилием 450 МПа при остаточной деформации сплава на основе хрома не более 0,5%. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 3 пр.
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано в металлообрабатывающей промышленности для изготовления инструментов для высокотемпературной изотермической штамповки с целью получения полуфабрикатов из жаропрочных сплавов на никелевой основе, например дисков газотурбинных двигателей (ГТД).
Известен хроммолибденовый сплав (US 3030206 A, 17.04.1962), используемый для изготовления лопаток ГТД, следующего химического состава, мас. %:
| Cr | 45-70 |
| Мо | 30-55 |
| Si | 0,2-3 |
| Ti | 0,1 |
| Al | 0,03-0,5 |
Недостатком этого сплава является низкая для современных лопаток ГТД рабочая температура (1100°C).
Известен сплав на основе хрома (RU 2060289 C1, 20.05.1996), применяемый для производства плавильно-формующего оборудования, работающего в контакте с расплавом стекломассы, следующего химического состава, мас. %
| Мо | 5,0-40,0 |
| Ti | 0,1-1,0 |
| Zr | 0,1-1,0 |
| Y | 0,05-0,5 |
| N2 | 0,05-0,5 |
| O2 | 0,05-0,5 |
| Cr | остальное |
Недостатком этого сплава является недостаточно высокая жаростойкость, склонность к межкристаллитной коррозии при температуре
1200°С и рост зерен, что приводит к снижению твердости в процессе эксплуатации.
Известен сплав на основе хрома (SU 1256430 A1, 27.08.1996), используемый для работы в агрессивных средах при высоких температурах в течение длительного времени, следующего химического состава, мас. %:
| Cr | 55-70 |
| Мо | 0,5-3,0 |
| Si | 0,2-0,6 |
| Ti | 3,0-7,5 |
| Al | 0,8-1,2 |
| Ti | 0,3-0,8 |
| W | 3,0-7,5 |
| Fe | остальное |
Недостатком этого сплава является низкая жаропрочность и жаростойкость при температурах выше 1100°С.
Наиболее близким аналогом является сплав на основе хрома (RU 2221892 С1, 20.01.2004), предназначенный для изготовления инструментов для высокотемпературной изотермической штамповки, следующего химического состава, мас. %:
| Мо | 10-40 |
| Ti | 0,1-1,5 |
| Fe | 3,0-15,0 |
| O2 | 0,05-0,5 |
| Al | 0,5-15 |
| Cr | остальное |
Недостатками сплава-прототипа являются относительно невысокая рабочая температура 1200°С, его низкая технологичность (повышенная хрупкость), обусловленная присутствием интерметаллидных соединений алюминия, сложность технологии изготовления и невозможность создания крупногабаритных изделий.
Техническим результатом предлагаемой группы изобретений является повышение рабочей температуры до 1250°C, обеспечение рабочего ресурса до 50 испытаний с усилием 450 МПа при остаточной деформации сплава на основе хрома не более 0,5%.
Для достижения поставленного технического результата предложен гранулируемый сплав на основе хрома, содержащий молибден, железо, кислород, вольфрам, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
| молибден | 20,0-40,0 |
| железо | 3,0-15,0 |
| кислород | 0,05-0,5 |
| вольфрам | 0,01-5,0 |
| хром | остальное |
Предпочтительное массовое соотношение хрома к молибдену составляет 2:1.
Также предложено изделие, выполненное из вышеуказанного гранулируемого сплава на основе хрома.
Для достижения высоких показателей термостойкости и остаточной деформации сплав на основе хрома дополнительно легировали вольфрамом, что в присутствии молибдена и железа приводит к выделению по границам зерен дисперсных частиц интерметаллида Fe2Mo и также частиц интерметаллидных соединений железа с вольфрамом, что повышает прочность границ и замедляет диффузию элементов сплава при высоких температурах.
Предпочтительное соотношение хрома к молибдену составляет 2:1. Как известно, молибден с хромом образуют ряд непрерывных твердых растворов, поэтому при данном соотношении сохраняется матричная фаза α-твердого раствора на основе Cr, обеспечивающая высокую жаропрочность и сопротивление износу при температурах выше 1100°C с образованием вторичной фазы Fe2Mo.
Примеры осуществления
В вакуумной индукционной печи с тиглем из основной футеровки было выплавлено 3 образца шихтовых заготовок различных составов в керамических формах диаметром 40 мм. Состав 2 выплавили с соотношением хрома к молибдену 2:1.
Шихтовые заготовки подвергали дробеструйной обработке до полного удаления остатков керамики с поверхности заготовок. Затем отбирали стружку образцов на химический анализ. Результаты химического анализа состава сплавов приведены в таблице 1.
Содержание хрома, молибдена, железа и вольфрама в стружке образцов определяли в соответствии с ГОСТ 24018.0-90. Содержание кислорода определяли в соответствии с ГОСТ 17745-90.
После этого слитки подвергались распылению на установке плазменного распыления с получением гранул размером до 1 мм. Гранулы подвергались размолу в планетарной мельнице до размера менее 100 мкм и засыпались в вакууме в капсулы из стали Ст3.
Образцы шихтовых заготовок изготавливались методом ГИП в среде аргона при температуре 1300-1400°С.
Механические свойства полученных заготовок из предлагаемого сплава и сплава-прототипа приведены в таблице 2.
Все свойства измерялись по 10 образцам с доверительной вероятностью 0,8.
Остаточную деформацию после 50 циклов при Т=1250°С и σ=450 МПа измеряли по ГОСТ 8817-82.
Твердость измеряли методом Роквелла по ГОСТ 9013-59.
Из таблицы 2 видно, что свойства предлагаемого сплава на основе хрома выше, чем свойства сплава-прототипа: рабочая температура - на 50°С; остаточная деформация после 50 циклов нагружения при температуре 1250°С и напряжении 450 МПа - на 28 - 44%. Состав 2, где реализовано предпочтительное соотношение хрома к молибдену, обладает более высокими механическими свойствами.
Использование предлагаемого сплава на основе хрома для изготовления изделий, в частности штампов для изотермической штамповки, увеличивает ресурс их работы, повышает коэффициент использования металла за счет точности геометрии полуфабрикатов и позволяет обрабатывать новые классы материалов.
1. Гранулируемый сплав на основе хрома, содержащий молибден, железо и кислород, отличающийся тем, что он дополнительно содержит вольфрам при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| молибден | 20,0-40,0 |
| железо | 3,0-15,0 |
| кислород | 0,05-0,5 |
| вольфрам | 0,01-5,0 |
| хром | остальное |
2. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что массовое соотношение хрома к молибдену составляет 2:1.
3. Изделие из гранулируемого сплава на основе хрома, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п. 1 или 2.
