ЖАРОПРОЧНЫЙ СВАРИВАЕМЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ КОБАЛЬТА И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО
HEAT-RESISTANT WELDED COBALT-BASED ALLOY AND ARTICLE MADE THEREFROM

Изобретение относится к области металлургии жаропрочных свариваемых деформируемых сплавов и изделий, выполненных из этих сплавов, и может быть использовано для изготовления элементов камеры сгорания, сопла и других узлов газотурбинных двигателей и установок, работающих до температуры 1250°C.
Сплав представляет собой многокомпонентную систему на основе кобальта, упрочняемую частицами нитридов (Me)N и карбидов.
Основными требованиями, предъявляемыми к этому классу материалов, являются: высокие рабочая температура и технологичность, удовлетворительные значения жаростойкости.
Из уровня техники (Патент США №8075839, опубл. 13.12.2011 г. ) известен высокожаропрочный свариваемый сплав на основе Co-Cr-Fe-Ni следующего химического состава, мас. %:
Cr
23,0-30,0
Fe
15,0-25,0
Ni
0-27,3
Ti
0,75-1,7
Nb или Zr
0,85-1,9
C
0-0,2
Mn
0-1,0
Si
0-1,0
B
0-0,015
Al
0-0,5
W
0-1,0
Mo
0-1,0
Co
остальное
Недостатками этого сплава являются невысокая кратковременная прочность при комнатной температуре (896 МПа) и ограничение (до 1204°C) рабочей температуры.
Известен (см. Патент США №3418111, опубл. 24.12.1968 г. ) высокотемпературный свариваемый сплав на основе кобальта для элементов камеры сгорания следующего химического состава, мас. %:
Cr
21,0-23,0
Fe
≤3,0
Ni
20,0-24,0
C
0,01-0,15
La
0,03-0,12
Si
02-0,5
В
0,015
Mn
0-0,5
W
≤1,25
Co
остальное
Недостатками этого сплава также являются невысокая кратковременная прочность при комнатной температуре (900 МПа) и рабочая температура (до 1100°C).
Известен (см. Авторское свидетельство №1072501, опубл. 30.10.1990 г. ) деформируемый свариваемый сплав следующего химического состава, мас. %:
Со
25,0-32,0
Cr
20,0-25,0
W
10,0-16,0
Al
0,2-0,7
С
0,02-0,1
Элемент, выбранный из группы Nd, La
0,01-0,1
Ni
остальное
Недостатками этого сплава являются невысокая кратковременная прочность при комнатной температуре (900 МПа) и рабочая температура (до 1050°C).
Известен высокожаропрочный деформируемый свариваемый сплав на основе никеля (см. Патент РФ №2164959, опубл. 10.04.2001 г. ) следующего химического состава, мас. %:
Cr
20,0-30,0
W
5,0-16,0
Mo
0,5-5,0
Ti
2,0-4,0
С
0,01-0,07
La
0,02-0,08
Co
10,0-20,0
Mg
0,02-0,1
N
0,5-2,0
Ni
остальное
Недостатками этого сплава также являются низкий уровень кратковременной прочности при комнатной температуре (620 МПа) и ограничение (до 1200°C) рабочей температуры.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип (см. Патент РФ №2283361, опубл. 10.09.2006 г. ), является высокожаропрочный деформируемый свариваемый сплав с нитридным упрочнением, имеющий состав, мас. %:
Cr
24,0-34,0
W
7,0-14,0
Mo
0,5-5,0
Ti
1,3-3,5
C
0,01-0,06
La
0,003-0,10
Ni
20,0-35,0
Mg
0,003-0,08
В
0,0003-0,008
N
0,3-3,0
Ce
0,0003-0,06
Co
остальное
2
Недостатками этого сплава являются невысокие кратковременная прочность (850 МПа при нормальной температуре) и жаростойкость (3,13 г/м ч при 1200°C).
Технической задачей и техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение кратковременной прочности при комнатной температуре и жаростойкости сплава.
Для достижения поставленного технического результата предлагается жаропрочный свариваемый сплав на основе кобальта, содержащий хром, никель, вольфрам, молибден, углерод, титан, магний, лантан, бор, отличающийся тем, что он дополнительно содержит тантал или ниобий, а также гафний или цирконий и дополнительно кремний при следующем соотношении компонентов (мас. %):
Хром
20,0-28,0
Вольфрам
0,1-10,4
Молибден
0,1-12,0
Титан
1,0-4,0
Углерод
0,02-0,25
Тантал
1,0-4,0
Ниобий
0,3-2,0
Гафний
0,1-2,0
Цирконий
0,1-2,0
Магний
0,002-0,3
Лантан
0,002-0,1
Бор
0,003-0,05
Никель
20-40
Кремний
0,001-0,2
Кобальт
остальное
Предпочтительно суммарное содержание титана, тантала и гафния составляет 2,1-7,0 масс. %.
Предпочтительно суммарное содержание титана и ниобия составляет 3,0-6,0 мас. %.
Предпочтительно сплав дополнительно содержит 0,1-0,5 мас. % алюминия.
Предлагается также изделие из жаропрочного свариваемого сплава на основе кобальта, выполненное из предлагаемого сплава.
Добавки вольфрама, молибдена и хрома упрочняют твердый раствор и снижают скорость диффузии компонентов сплава, особенно при повышенных температурах, что оказывает заметное влияние на эффективность упрочнения. Также повышенное содержание хрома повышает скорость диффузии азота вглубь сплава, тем самым уменьшая время, необходимое для получения сквозного азотирования.
Добавки тантала или ниобия, титана и гафния или циркония ведут к образованию более стойких карбидов и нитридов, что повышает прочность, а также способствует повышению длительной прочности и жаростойкости сплава.
Магний и лантан добавляются в процессе выплавки для очищения расплава от оксидов и снижения количества вредных примесей, что положительно влияет на механические свойства.
Добавление алюминия приводит к повышению жаростойкости благодаря образованию оксидов алюминия на поверхности сплава и препятствует дальнейшему окислению.
Изначально азот в сплаве присутствует в качестве примеси, так как добавление его при выплавке приведет к трудностям при деформации, к появлению трещин при прокатке.
Введение кремния в сплав предлагаемого состава повышает одновременно прочность и жаростойкость. Это происходит из-за образования стабильных первичных и вторичных карбидов, связывания легкоплавких примесей по границам зерен, формирования оксидной пленки с большей защитной способностью на поверхности детали.
Кобальт и никель не образуют термодинамически стабильные нитриды, в связи с чем скорость диффузии азота в сплаве увеличивается в процессе химико-термической обработки.
При заявленном содержании и соотношениях компонентов в предлагаемом сплаве на основе кобальта достигается наибольший эффект повышения кратковременной прочности сплава при нормальной температуре и жаростойкости при температуре 1200°C.
Примеры осуществления:
В вакуумно-индукционной печи были выплавлены предлагаемый сплав различных составов и сплав - прототип. Химические составы приведены в таблице 1.
Заливка слитков проводилась в конусные металлические изложницы весом 25 кг. Далее следовали деформация на сутунку, горячая и холодная прокатка на листовой прокат толщиной 1,2 мм.
С целью снятия остаточных напряжений и повышения стабильности свойств была проведена термическая обработка холоднокатаных листов по следующему режиму: отжиг при температуре 1120-1160°C в течение 20-40 мин, охлаждение на воздухе.
Полученные листы разрезали на заготовки, которые в печи азотирования подвергали химико-термической обработке. После этого из них были изготовлены образцы для испытания механических свойств. Результаты приведены в таблице 2.
Как видно из данных таблицы 2, предлагаемый сплав превосходит сплав-прототип по значению кратковременной прочности при нормальной температуре на 29%, а по жаростойкости в 1,5 раза.
Использование предлагаемого жаропрочного свариваемого сплава на основе кобальта повышает надежность изделий и увеличивает ресурс их работы.