Жаропрочный сплав на основе молибдена
MOLYBDENUM BASED HEAT RESISTANT ALLOY

Изобретение относится к металлургии, в частности к металлургии жаропрочных сплавов на основе молибдена, обладающих высокой прочностью при температурах до 1600°С и выше, при сохранении высокой пластичности при комнатной температуре, и может быть использовано для изготовления изделий, подвергающихся в процессе эксплуатации в условиях вакуума или среды, не содержащей кислород, нагреву до высоких температур, в электронной, электротехнической отраслях промышленности, атомной энергетике, авиационной и космической технике.
Известен жаропрочный сплав на основе молибдена ЦМ2А. (Н.Н. Моргунова, Б.А. Клыпин, ВА Бояршинов, Л.А. Тараканов, Ю.В. Манегин «Сплавы молибдена» Москва, «Металлургия» 1975 г. стр. 341,347), имеющий состав (масс.%): цирконий - 0,07-0,15; титан - 0,07-0,3; углерод - ≤0,004; кислород - ≤0,005; молибден - основа. Сплав производится методом вакуумной металлургии (вакуумная дуговая плавка).
В
Предел прочности сплава - σ при температуре 20°С составляет 600 МПа, при температуре 1100°С - 380 МПа, при температуре 1200°С - 300 МПа, при температуре 1600°С - 60 МПа.
Сплав используется для изготовления деталей и элементов конструкции в аэрокосмической и атомной промышленности, но его предел прочности при температурах выше 1100°С не удовлетворяет современным требованиям техники.
Известен, принятый за прототип, упрочненный мультиэлементной композицией молибденовый сплав (Патент CN №110453127 В, С22С 27/04, опубл. 2020-07-10), имеющий состав, (масс.%): титан - 0.40-0.55%, цирконий - 0.06-0.12%, углерод - 0.05-0.12%, гафний - 0.8-1.2%, рений - 0.50-1.0%, кислород - ≤0, 01%, молибден - остальное.
В
Прочность сплава, определяемая величиной предела прочности - σ, при температуре 20°С составляет 880-1250; при температуре 1600°С - 210-220 МПа. Пластичность сплава, определяемая величиной относительной деформации до разрушения - δ составляет соответственно при температуре 20°С - 16-18%; при температуре 1600°С - 30%.
Однако по своей прочности при температуре 1600°С он также не удовлетворяет современным требованиям техники, кроме того, повышенное содержание в сплаве кислорода (до 0,01 масс. %) делает невозможным применение его для изготовления деталей и элементов конструкций, работающих при высокой температуре в условиях замкнутого вакуума или среды, которую не допустимо загрязнять кислородом. Выделяющий в процессе эксплуатации при высокой температуре кислород приводит устройства к разрушению. Кроме того, высокое содержание кислорода в сплаве делает невозможны применение электронно-лучевой или лазерной сварки при изготовлении из него изделий.
Предлагаемое изобретение решает задачу разработки сплава на основе молибдена, обладающего высоким пределом прочности при температурах как до 1600°С, так и выше, при сохранении высокой пластичности при комнатной температуре.
Поставленная задача достигается тем, что в состав жаропрочного сплава на основе молибдена, содержащего цирконий, гафний, углерод и кислород дополнительно вводят тантал, вольфрам и, как минимум один из группы элементов: железо, кобальт, никель при следующем соотношении компонентов в масс. %: тантал: 0,2-0,9; вольфрам: 0,1-0,9; железо, кобальт, никель в сумме 0,01-0,03; цирконий: 0,1-0,3; гафний: 0,2-0,9; углерод: 0,01-0,05; кислород не более 0,003, молибден - остальное.
Сплав с предлагаемым количеством компонентов и их соотношением позволяет не только улучшить его механические свойства: высокий предел прочности, при сохранении высокой пластичности, как при комнатной, так и при высокой температуре, но также и эксплуатационные свойства: при изготовлении изделий из сплава может применяться электронно-лучевая или лазерная сварка, а также их можно эксплуатировать в условиях вакуума или среды, не содержащей кислород, не нарушая эти среды выделениями кислорода при высоких температурах, что особенно важно в современной технике.
Предложенная совокупность признаков является новой и позволяет получить новый непредсказуемый эффект: получение высокопрочной при высокой температуре и пластичной при низкой температуре продукции, позволяющей использовать ее для изготовления изделий, подвергающихся в процессе эксплуатации нагреву до высоких температур в вакууме или в среде, не содержащей кислород. Вышеизложенные признаки соответствуют критериям «новизна» и «изобретательский уровень».
Возможность применения ее на существующем технологическом оборудовании подтверждает соответствие ее критерию «промышленная применимость».
В Таблице 1 приведены составы сплавов предлагаемого состава (1, 2, 3), выходящие за пределы предлагаемого состава (4,5) и состава прототипа (6).
В Таблице 2 приведены механические свойства сплавов предлагаемого состава (1, 2, 3), выходящих за пределы предлагаемого состава (4.5) и состава прототипа (6).
Методы изготовления:
Сплав изготавливают методом вакуумной электронно-лучевой плавки или последовательным проведением вакуумной электронно-лучевой плавки и последующей электродуговой плавки с расходуемым электродом в медном кристаллизаторе. Полученные слитки подвергали экструзии при температуре 1600°С в пруток диаметром 55 мм. Экструдированные прутки отжигали в вакууме при температуре 900°С 1 час.
Методы испытания.
В
Механические свойства образцов определяли при испытании на растяжение на испытательной машине Instron в соответствии с ГОСТ 9651-84. По результатам испытаний определяли предел прочности образцов - σ и величину относительной деформации до разрушения - δ.
Пример 1.
Методом последовательного применения вакуумной электронно-лучевой и вакуумной электродуговой плавки были изготовлены три слитка предлагаемого состава, (масс. %):
Тантал - 0,2; вольфрам - 0,1; железо, кобальт, никель в сумме - 0,01; цирконий - 0,1; гафний - 0,2; углерод - 0,01; кислород - 0,001; молибден - остальное.
Тантал - 0,5; вольфрам - 0,4; железо, кобальт, никель в сумме - 0,02; цирконий - 0,2; гафний - 0,6; углерод - 0,03; кислород - 0,002; молибден - остальное.
Тантал - 0,9; вольфрам - 0,9; железо, кобальт, никель в сумме - 0,03; цирконий - 0,3; гафний - 0,9; углерод - 0,05; кислород - 0,003; молибден - остальное.
И два слитка выходящие за пределы предлагаемого состава:
Тантал - 0,01; вольфрам - 0,05; железо, кобальт, никель в сумме - 0,005; цирконий - 0,05; гафний - 0,1; углерод - 0,005; кислород - 0,001; молибден - остальное.
Тантал - 1; вольфрам - 1; железо, кобальт, никель в сумме - 0,04; цирконий - 0,4; гафний - 1; углерод - 0,06; кислород - 0,004; молибден - остальное.
В качестве сравнения были взяты характеристики сплава - прототипа, следующего состава (масс. %): титан - 0,45, цирконий - 0,08, углерод - 0,1, гафний - 1,2, рений - 1,0, кислород - 0,009, молибден - остальное.
Составы сплавов в % приведены в Таблице 1.
В
Полученные слитки подвергали экструзии при температуре 1600°С в прутки диаметром 55 мм. Полученные прутки отжигали в вакууме при температуре 900°С 1 час. Испытания проводили при комнатной температуре, 1250, 1450 и 1600°С в условиях вакуума. По результатам испытаний определяли предел прочности образцов - σ и величину относительной деформации до разрушения - δ. Полученные данные представлены в Таблице 2.
Как видно из полученных данных снижение количества вводимых в сплав компонентов ниже предлагаемых пределов приводит к значительному снижению прочности сплава (Сплав №5) и, как следствие, снижается общий уровень механических свойств.
Увеличение количества вводимых в сплав компонентов выше предлагаемых пределов снижает пластичность сплава при комнатной температуре до опасного уровня. Хрупкое разрушение снижает уровень прочности сплава.
-2
Важным технологическим свойством заявляемого сплава является возможность применения сварки при изготовлении изделий из него. С целью проверки способности к сварке из образца сплава состава №2 была изготовлена пластина размером 1×20×60 мм. Пластину разрезали на две равные части поперек длинной стороны. Сварку двух частей вдоль стороны 20 мм проводили встык на установке электронно-лучевой сварки на специальной установке в вакууме 1,3×10 Па. После извлечения образца трещин ни в зоне шва, ни на границе зона плавления - исходный металл обнаружено не было. Это подтверждает возможность применения электронно-лучевой плавки при изготовлении изделий из заявляемого сплава.
-2
-2
Низкое содержание кислорода в заявляемом сплаве достигается в процессе электронно-лучевой плавки слитка, происходящей при температуре выше 2800°С в вакууме 1,3×10 Па. Для проверки стабильности содержания кислорода в заявляемом сплаве образцы из сплава состава №2 в виде пластин размером 1×20×60 мм отжигали в вакууме 1,3×10 Па при температуре 1600°С в течение 24 часов. Анализ содержания кислорода в отожженных образцах показал, что изменений содержания кислорода в них не произошло, оно осталось на исходном уровне 0,002 масс. %.
Это означает, что изделия из сплавов не загрязняют кислородом замкнутый вакуум или не содержащую кислорода среду в которых они эксплуатируются при высоких температурах. Пример 2.
В
В
В
В
Методом последовательного применения вакуумной электронно-лучевой и вакуумной электродуговой плавки изготовлен слиток, в котором из группы элементов: железо, кобальт, никель в состав заявляемого сплава введен только один элемент - железо, при следующем соотношении компонентов (масс. %): тантал: 0,9; цирконий: 0,3; гафний: 0,2; вольфрам: 0,2; железо: 0,02; углерод: 0,02; кислород: 0,0015; молибден - остальное. Полученный слиток подвергали экструзии при температуре 1600°С в пруток диаметром 55 мм. Полученный пруток отжигали в вакууме при температуре 900°С 1 час. Механические испытания на растяжение проводили при 20, 1250, 1450 и 1600°С в условиях вакуума. Получены следующие результаты: 20°С - σ=685 МПа, δ=17,5%; 1250°С - σ=370 МПа, δ=17,5%; 1450°С - σ=340 МПа, δ=21,5%; 1600°С - σ=300 МПа, δ=25%.
В
В
Как видно из приведенных примеров в Таблице 2 и данных приведенных для аналога - сплава ЦМ2А, заявляемый сплав обладает более высоким пределом прочности при высоких температурах как по сравнению с аналогом, так и с прототипом. Так при температуре 1600°С предел прочности - σ заявляемого сплава на 80% (в 5 раз) превышает предел прочности сплава ЦМ2А и на 26% (в 1,35 раза) предел прочности - σ сплава прототипа. Такое преимущество в прочности при столь высокой температуре испытания является очень значительным и трудно достижимым как в отношении сплава прототипа, так и сплава аналога.
В
Следует отметить, что предел прочности сплава прототипа при комнатной температуре на 36% (в 1,36 раза) выше, чем у заявляемого. Но это является недостатком прототипа, поскольку затрудняет процесс изготовления изделий, происходящий при комнатной или низкой температуре. Главной характеристикой жаропрочного сплава является предел прочности σ при высоких температурах, при которых изделие из сплава эксплуатируется.
Величина относительной деформации до разрушения - δ, характеризующая пластичность заявляемого сплава при комнатной температуре, а также при температурах 1250, 1450, 1600°С находится на том же уровне 17-22%, что и сплавов аналога и прототипа.