Высокопрочная порошковая коррозионно-стойкая сталь
Владельцы патента RU 2751064:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU)
Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к производству порошковой коррозионно-стойкой мартенситно-стареющей стали, используемой в технологиях аддитивного производства силовых элементов газотурбинных двигателей, эксплуатирующихся при температурах от минус 70 до плюс 550°С. Сталь содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: хром 12,50-13,50, никель 4,50-5,50, молибден 3,50-4,50, кобальт 8,50-9,50, марганец не более 0,30, кремний не более 0,10, ниобий 0,08-0,15, иттрий не более 0,02, лантан не более 0,02, углерод не более 0,02, сера не более 0,01, кислород не более 0,06, железо - остальное. Сталь обладает пределом прочности не менее 1400 МПа, пределом текучести не менее 1170 МПа, относительным удлинением не менее 14%, поперечным сужением не менее 50%. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к производству порошковой коррозионностойкой мартенситно-стареющей стали, обладающей высокими прочностными и пластическими характеристиками, для использования в технологиях аддитивного производства элементов газотурбинного двигателя (ГТД), в том числе лопаток и коллекторов, эксплуатирующихся при температурах от -70°С до +550°С.
Известна коррозионно-стойкая литейная аустенитная сталь (SU 981440 А1, С22С 38/50, опубл. 15.12.1982 г.), содержащая, масс. %:
углерод | 0,25-0,35 |
кремний | 0,10- 0,80 |
марганец | 0,80-1,50 |
хром | 18,00-20,00 |
никель | 8,00-10,00 |
вольфрам | 1,00-1,50 |
ниобий | 0,20-0,50 |
молибден | 1,00-1,50 |
титан | 0,20-0,50 |
медь | 0,10-0,30 |
алюминий | 0,01-0,05 |
кальций | 0,005-0,05 |
РЗМ | 0,005-0,08 |
Железо | остальное |
Сталь обладает хорошими литейными свойствами и высокими пластичностью, вязкостью и коррозионной стойкостью. Недостатком стали является низкие прочностные характеристики.
Известна коррозионно-стойкая сталь мартенситного класса (RU 2307876 С2, С22С 38/44, опубл. 10.10.2007 г.), содержащая, масс. %:
углерод | 0,005-0,04 |
кремний | не более 0,50 |
марганец | 0,10-3,00 |
хром | 10,00-15,00 |
никель | 4,00-8,00 |
молибден | 2,80-5,00 |
алюминий | 0,001-0,10 |
азот | не более 0,07 |
фосфор | не более 0,04 |
сера | не более 0,01 |
железо и неизбежные примеси | остальное |
Сталь обладает высокими коррозионной стойкостью к газообразному диоксиду углерода и сопротивлением к коррозионному растрескиванию. Недостатком стали являются пониженные значения предела текучести (σ0,2=910-1027 МПа).
Известна литейная сталь (ЕР 1001044 А2, С22С 37/08, опубл. 17.05.2000 г.), работоспособная при температуре эксплуатации 600°С. Сталь содержит следующее соотношение легирующих элементов, % масс.:
углерод | 0,07-0,15 |
кремний | 0,05-0,30 |
марганец | 0,10-1,00 |
хром | 8,00-10,00 |
никель | 0,01-0,20 |
ванадий | 0,10-0,30 |
вольфрам | 1,00-2,50 |
ниобий и тантал | 0,01-0,20 |
молибден | 0,10-0,70 |
кобальт | 0,10-5,00 |
азот | 0,001-0,03 |
бор | 0,002-0,01 |
железо и случайные примеси | остальное |
При указанных соотношениях углерода и хрома сталь имеет недостаточную коррозионную стойкость. Кроме того, данный материал обладает пониженными значениями предела текучести (620-670 МПа).
Известна ультрапрочная коррозионно-стойкая сталь (US 2010258217 А1, B01J 39/20, опубл. 14.0.2010 г.), упрочняемая нанокарбидными выделениями, содержащая, % масс.:
углерод | 0,10-0,30 |
кремний | не более 0,10 |
марганец | не более 0,50 |
хром | 6,00-12,00 |
никель | 0,00-10,00 |
ниобий | не более 0,30 |
кобальт | 8,00-17,00 |
молибден | не более 3,00 |
ванадий | не более 0,80 |
медь | не более 0,15 |
вольфрам | не более 3,00 |
тантал | не более 0,20 |
бор | не более 0,005 |
железо | остальное |
Недостатком стали являются пониженные значения пластичности. Кроме того, наличие нанокарбидных включений в структуре стали снижают сопротивление к коррозионному растрескиванию.
Известна коррозионно-стойкая сталь аустенитно-мартенситного (переходного) класса для литых фасонных деталей, работающих до 400°С (Справочник «Авиационные материалы», т. 2), содержащая, % масс.:
углерод | 0,10-0,16 |
хром | 10,50-12,50 |
никель | 4,50 - 6,50 |
молибден | 4,00-5,00 |
марганец | не более 0,60 |
кремний | не более 0,60 |
сера | не более 0,02 |
фосфор | не более 0,02 |
железо | остальное |
Недостатком стали являются пониженные значения пластичности стали (поперечное сужение ψ~30%) и недостаточная коррозионная стойкость.
Известна коррозионно-стойкая мартенситно-стареющая литейная сталь, принятая авторами за прототип (RU 2169789 С2, С22С 38/52, опубл. 27.06.2001 г.), для изготовления силовых литых деталей энергетических установок, содержащая следующее соотношение компонентов, масс. %:
углерод | 0,01-0,05 |
азот | 0,01-0,08 |
хром | 10,00-13,50 |
никель | 4,50-6,00 |
молибден | 4,00-5,00 |
марганец | 0,20-0,90 |
кремний | 0,20-0,75 |
кобальт | 8,00-10,00 |
кальций | 0,001-0,05 |
церий | 0,001-0,05 |
ванадий | 0,03-0,30 |
железо | остальное |
В сталь введены азот и ванадий для ускорения объемной кристаллизации за счет образования дополнительных центров кристаллизации - нитридов ванадия - и уменьшения ликвации легирующих элементов с целью обеспечения равномерных по сечению фасонных отливок механических свойств.
Расплавление металлической заготовки для получения порошка происходит в вакууме, при котором снижается усвоение азота в металле, и, таким образом, не достигается эффект увеличения скорости объемной кристаллизации.
Кроме того, сталь применяется до температуры 300°С и имеет большой разброс по механическим свойствам (предел прочности σв=1325-1570 МПа, предел текучести σ0,2=1030-1275 МПа, относительное удлинение δ=10-20%, поперечное сужение ψ=35-70%).
Технической задачей и техническим результатом изобретения является создание коррозионностойкой порошковой стали для использования в технологиях аддитивного производства, обладающей пределом прочности не менее 1400 МПа, пределом текучести не менее 1170 МПа, относительным удлинением не менее 14%, поперечным сужением не менее 50%, и работоспособной до температуры 550°С.
Для достижения технического результата предложена высокопрочная коррозионно-стойкая мартенситно-стареющая сталь, содержащая хром, никель, молибден, кремний, кобальт, марганец, железо, отличается тем, что сталь дополнительно содержит ниобий, иттрий и лантан и неизбежные примеси углерод, серу и кислород при следующем соотношении компонентов, масс. %:
хром | 12,50-13,50 |
никель | 4,50-5,50 |
молибден | 3,50-4,50 |
кобальт | 8,50-9,50 |
марганец | не более 0,30 |
кремний | не более 0,10 |
ниобий | 0,08-0,15 |
иттрий | не более 0,02 |
лантан | не более 0,02 |
углерод | не более 0,02 |
сера | не более 0,01 |
кислород | не более 0,06 |
железо | остальное |
Сталь содержит небольшое количество кремния для увеличения вязко-пластичных свойств.
Дополнительное легирование стали ниобием позволяет повысить прочностные характеристики стали за счет старения при упрочняющей термообработке, а также повысить сопротивление к коррозионному растрескиванию за счет связывания углерода в карбиды ниобия, что позволяет использовать сталь при температурах до 550°С.
Введение хрома не менее 12,5% обеспечивает высокую коррозионную стойкость стали, содержание хрома выше 13,5% может приводить к появлению дельта-феррита, который снижает пластичность и вязкость стали.
При добавлении никеля меньше 4,5% не достигается требуемая пластичность стали, содержание никеля выше 5,5% увеличивает количество остаточного аустенита, снижающего прочностные свойства.
Содержание в стали до 0,3% марганца достаточно для уменьшения вредного влияния серы, количество марганца свыше 0,3% увеличивает содержание остаточного аустенита, обепечивая предел текучести не менее 1170 МПа.
Кобальт снижает растворимость молибдена в мартенсите и способствует при старении выделению упрочняющих фаз типа Fe2Mo или (Fe, Ni, Со)2Мо, Ni3Mo. Указанное количество кобальта и молибдена помогает достичь требуемую прочность стали 1400 МПа.
Микролегирование редкоземельными элементами (РЗМ) Υ и La в указанном соотношении позволяет снизить содержание неметаллических включений и измельчает зерно.
Сталь сбалансирована по фазовому составу. Соотношение аустенито- и ферритообразующих элементов в литой стали должно определяться следующим равенством:
Км=Cr+1,5 Ni+50 (С+Ν)+0,2 Со+0,7 (Mn+Si)=23-26;
Кф=Cr+Mo+2 Si-(1,5 Ni+50 (С+Ν)+0,6 Co+0,7 Μn)=2-4.
Км- эквивалент мартенситообразования, при этом содержание остаточного аустенита в литой стали колеблется от 5 до 10%.
Кф - эквивалент ферритообразования, может содержаться от 0 до 3% дельта-феррита в литой стали.
Подобранное соотношение легирующих элементов (Км и Кф) позволяет получить после послойного лазерного сплавления и упрочняющей термообработки 4-6% остаточного аустенита и отсутствие дельта-феррита, в результате чего материал обладает высокими пластическими характеристиками и вязкостью.
В отличие от прототипа при выбранном соотношении легирующих элементов не требуется обработка холодом стали.
Сталь содержит не более 0,01% серы и не более 0,06% кислорода; повышенное количество указанных примесей снижают прочность и вязкость стали.
Примеры осуществления
В производственных условиях ФГУП «ВИАМ» проводили опробование предлагаемой стали.
Заготовку под распыление (атомизацию) выплавляли на вакуумно-индукционной установке (ВИУ) с контролем фазового состава по магнитной пробе в процессе выплавки.
В тигель, в соответствии с заявленным содержанием, загружали основные легирующие элементы: железо, никель, хром, молибден, ниобий, кобальт и расплавляли в вакууме при температуре 1550°С. После выдержки в течение 10 мин в расплавленный металл вводили ферросилиций. Далее добавляли марганец и лигатуры РЗМ (NiY, NiLa) небольшими гранулами с выдержкой между введением каждого в течение 2 мин. Процесс выплавки стали контролировался измерением магнитности литой пробы на приборе ИФСС (индикатор фазового состава стали), позволяющем определить фазовый состав стали (процентное соотношение аустенита и мартенсита). Металл разливали в трубу диаметром 90 мм.
Получение порошка предлагаемой стали проводили на установке (ато-майзере) HERMIGA10/100VI, имеющей основной рабочий диапазон частиц 10-100 мкм. Литую заготовку загружали в плавильную камеру и создавали вакуум. Мощность включали по достижении остаточного давления не более 5×10-2 мбар, но не ранее, чем через 1 час после начала вакуумирования.
После расплавления металла плавильную камеру и камеру атомизации наполняли аргоном до избыточного давления 0,05 бар. После достижения рабочей температуры расплав выдерживали в течение 10 минут, за 3 мин до слива включали опробование атомизации и устанавливали рабочее давление на форсунке; за 30 с до слива подавали в плавильную камеру аргон до рабочего давления и приступали к сливу. После контроля формирования струи металла начинали атомизацию.
Порошок извлекали не ранее, чем через 4 часа после окончания процесса атомизации. Затем порошок подвергали аэродинамической классификации для удаления фракции 10 мкм. Размер основной фракции выбирали -63+10 мкм.
В таблице 1 представлен состав предлагаемой стали.
Печать заготовок под образцы проводилась на установке «ConceptLaserM2 Cusing» с рабочим пространством зоны построения 250 × 250 × 280 мм. Заготовки изготавливали простой квадратной в сечении формы с параллельной ориентацией слоев относительно оси симметрии заготовки.
Синтезированные заготовки подвергали горячему изостатическому прессованию с последующим отжигом.
После упрочняющей термической обработки (закалки и старения) изготавливали образцы для механических испытаний.
Механические свойства предлагаемой стали представлены в таблице 2.
1. Порошковая коррозионно-стойкая мартенситно-стареющая сталь, содержащая хром, никель, молибден, кобальт, углерод, марганец, кремний, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ниобий, иттрий, лантан, серу и кислород при следующем соотношении компонентов, мас.%:
хром | 12,50-13,50 |
никель | 4,50-5,50 |
молибден | 3,50-4,50 |
кобальт | 8,50-9,50 |
марганец | не более 0,30 |
кремний | не более 0,10 |
ниобий | 0,08-0,15 |
иттрий | не более 0,02 |
лантан | не более 0,02 |
углерод | не более 0,02 |
сера | не более 0,01 |
кислород | не более 0,06 |
железо | остальное |
2. Порошковая коррозионно-стойкая мартенситно-стареющая сталь по п. 1, отличающаяся тем, что коэффициент мартенситообразования составляет 23-26, а коэффициент ферритообразования составляет 2-4.