ИЗНОСОСТОЙКИЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ИЗНОСО- И КОРРОЗИОННО-СТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ НА КОНСТРУКЦИОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ МИКРОПЛАЗМЕННЫМ ИЛИ СВЕРХЗВУКОВЫМ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИМ НАПЫЛЕНИЕМ
WEAR-RESISTANT ALLOY ON BASIS OF NICKEL FOR APPLICATION OF WEAR AND CORROSION RESISTANT COATINGS TO STRUCTURAL ELEMENTS WITH MICROPLASMA OR SUPERSONIC GAS-DYNAMIC SPUTTERING

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам на основе никеля, используемым в качестве исходного материала для получения износо- и коррозионно-стойких покрытий на функционально-конструкционных элементах методом микроплазменного или сверхзвукового холодного газодинамического напыления.
Известны сплавы системы Ni-Cr-Mo, в том числе:
- сплав на основе никеля, применяемый для нанесения защитных покрытий холодным газодинамическим напылением составом (мас.%): кобальт 0-35.0, хром 10,0-25,0, железо 0-35,0, алюминий 6,0-20,0, платина 0-35,0, гафний 1,0-5,0, кремний 1,0-6,0, ниобий 0-15,0, цирконий 0-5,0, тантал 0-5,0, рений 0-5,0, рутений 0-5,0, бор 0-1,0, углерод 0-0,2, иттрий 0,1-0,7, никель - остальное (US 2008/0038575 Al, С22С 19/05, 14.02.2008);
- аморфный, износостойкий наноструктурированный сплав для изготовления элементов оборудования и нагревательных систем, работающих в условиях трения и повышенного износа на основе никеля составом (мас.%): хром 18,0-40,0, молибден 30,0-40,0, церий 0,6-1,2, цирконий 3,0-5,0, карбид вольфрама 6,0-8,0, никель - остальное (РФ патент №2418091, С22С 45/04, 19/05, 18.11.2009);
- аморфный износостойкий наноструктурированный сплав на основе никеля системы Ni-Cr-Mo-WC-Ce составом (мас.%): хром 18,0-40,0, молибден 30,0-40,0, церий 0,6-1,2, цирконий 3,0-5,0, карбид вольфрама 6,0-8,0, остальное - никель (РФ патент №2418091, С22С 45/04, 19/05);
- аморфный прецизионный сплав для изготовления высокопрочных лент, волокон и микропроводов с большим коэффициентом тензочувствительности на основе никеля составом (% мас.): хром 10,0-20,0, молибден 25,0-40,0, кремний 6,0-7,5, бор 4,0-5,0, церий 0,8-1,5, остальное - никель (РФ патент №2219279 от 04.03.2002);
- высокопрочный аморфный сплав для изготовления микропроводов в стеклянной изоляции и тонких лент на основе никеля составом (мас.%): хром 10,0-40,0, молибден 25,0-42,0, кремний 0,6-6,0, бор 0,3-3,0, цирконий 1,2-5,0, церий, лантан, неодим или празеодим 0,1-1,8, иттрий 0,1-1,5, остальное - никель (US 7172661 от 06.02.2007).
Наиболее близким к заявляемому и взятым нами за прототип является сплав на основе никеля, применяемый для нанесения защитных покрытий холодным газодинамическим напылением составом (мас.%): кобальт 0-35,0, хром 10,0-25,0, железо 0-35,0, алюминий 6,0-20,0, платина 0-35,0, гафний 1,0-5,0, кремний 1,0-6,0, ниобий 0-15,0, цирконий 0-5,0, тантал 0-5,0, рений 0-5,0, рутений 0-5,0, бор 0-1,0, углерод 0-0,2, иттрий 0,1-0,7, никель - остальное (US 2008/0038575 Al, С22С 19/05, 14.02.2008).
Недостатком известного сплава является относительно узкий интервал рабочих температур в положительной и отрицательной областях за счет охрупчивания. В настоящее время существенно ужесточились требования к конструкционным элементам, работающим в экстремальных условиях эксплуатации при криогенных температурах (-196°С и ниже) и при повышенных и высоких (до 950°С). Известный сплав имеет диапазон рабочих температур от -50°С до 700°С. При более высоких и криогенных температурах происходит интенсивное разрушение материала.
Техническим результатом изобретения является создание сплава, обладающего работоспособностью в более широком интервале температур от -196°С до 950°С.
Технический результат достигается за счет того, что в сплав, содержащий никель, хром, железо, иттрий и алюминий, дополнительно введены молибден, германий, церий и лантан в следующем соотношении компонентов (мас.%):
хром 14,0-18,0
молибден 33,0-40,0
железо 1-7,5
алюминий 1-7,3
германий 2,0-6,0
церий 0,2-0,4
иттрий 0,2-0,4
лантан 0,2-0,4
никель - остальное,
2
5
при этом сплав содержит интерметаллид FeAl в количестве 2,0-15,0%.
18
42
40
2
5
2
5
Основанием для сплава является Р-фаза составом CrMoNi. С целью повышения верхнего предела интервала положительных рабочих температур в сплаве образуется интерметаллид системы FeAl с температурой плавления 1171°С в количестве 2,0-15,0%. Учитывая узкий интервал существования указанного интерметаллидного соединения, количество алюминия в нем должно быть в интервале от 53,0 до 55,0 мас.%. Снижение содержания хрома, молибдена и никеля не обеспечивает образования Р-фазы, что ведет к снижению положительных рабочих температур. Повышение содержания указанных элементов ведет к охрупчиванию сплава. Для исключения охрупчивания сплава в области криогенных температур, вводится дополнительная добавка германия в количестве 2,0-6,0%. Экспериментальные исследования показывают, что требуемый эффект расширения температурного диапазона наблюдается с введением указанных компонентов более 2,0%. При добавлении интерметаллида FeAl более 15,0% и Ge более 6,0% наблюдается повышение твердости и значительное охрупчивание сплава, что ведет к растрескиванию покрытий, получаемых на его основе, и делает его непригодным для дальнейшего использования.
В качестве рафинирующих добавок выступают Се, Y и La. Комплексное введение этих добавок, суммарное количество которых не должно превышать 1,0%, а соотношение между ними должно быть близким к 1:1:1, что обеспечивает удаление из прецизионного сплава кислорода, азота и водорода, так как Се, Y и La имеют наибольшее сродство к указанным компонентам соответственно.
Практическая реализация предлагаемого технического решения выполнялась по следующей схеме: выплавка исходного сплава методом прямого сплавления компонентов; дробление полученного слитка; нанесение покрытий из сплава методами микроплазменного и сверхзвукового холодного газодинамического напыления.
Выплавка сплава производилась в высокочастотном индукторе с рабочей частотой 440 кГц в алундовых тиглях №3 или №4 в атмосфере аргона. Последовательность введения шихтовых компонентов следующая:
(Ni+Cr)→Mo→(Fe+Al)→Ge→(Ce+Y+La).
Масса получаемых слитков 0,7-0,8 кг.
Дробление полученного слитка производилось последовательно на щековой дробилке до фракции 3-5 мм, а затем на дезинтеграторной установке типа ДЕЗИ-15 до фракции 20-100 мкм.
Нанесение покрытий из полученного таким образом порошка производилось двумя методами:
- сверхзвукового холодного газодинамического напыления на установке типа ДИМЕТ-3. Температура гетерофазного потока при напылении не превышала 130°С при скоростях частиц 660-825 м/с, что обеспечивает практически полное отсутствие пор в покрытии;
- микроплазменного напыления на установке типа УГНП 2/2250. Кратковременный нагрев напыляемого материала из-за кратковременного пребывания порошка в плазменной струе обеспечивает частичное проплавление порошка, что способствует высокой адгезии, одновременно не изменяя фазового состава.
Толщина покрытий, формируемых перечисленными способами, составляет 30-50 мкм, что обеспечивает требуемые эксплуатационные характеристики. Исследования микротвердости полученных покрытий проводились при помощи микротвердомера НаноСкан 3D. Результаты исследования приведены в таблице.
Для определения работоспособности покрытия в экстремальных условиях было проведено 8 циклов теплонагружения от -196°С до 950°С. Проведенные исследования показали, что воздействие как криогенных, так и высоких температур не изменяют характеристик покрытия, так как не приводят к фазовым превращениям.
Для определения износо- и коррозионно-стойкости проведены испытания коррозионного поведения сплава, нанесенного на некорродирующую в солевом растворе медную подложку в соответствии с ГОСТ 9.905-82. Образцы погружали в синтетическую агрессивную среду, где выдерживались в течение 40 часов при температуре 20±2°С. Результаты исследований приведены в таблице.
Как видно из таблицы, сплав под №2 обладает высокими эксплуатационными характеристиками, удовлетворяющими требованиям к материалам, работающим в экстремальных условиях.