ЖАРОПРОЧНЫЙ ПОРОШКОВЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ, СТОЙКИЙ К СУЛЬФИДНОЙ КОРРОЗИИ И ИЗДЕЛИЕ, ИЗГОТОВЛЕННОЕ ИЗ НЕГО
FIREPROOF POWDERED ALLOY BASED ON NICKEL RESISTANT TO SULFIDE CORROSION AND PRODUCT MADE FROM IT

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к жаропрочным никелевым сплавам. Может использоваться в газотурбинных двигателях (ГТД) для изготовления тяжело нагруженных деталей, работающих при повышенных температурах.
Известен сплав на основе никеля, в котором для повышения коррозионной стойкости в кислых средах использован способ легирования медью (Патент РФ №2097439, C22C 19/05, 1995 г. «Коррозионностойкий сплав, способ повышения коррозионной стойкости и обработанный давлением продукт»). Состав сплава в мас.%:
Хром
22,0-24,5
Молибден
14,0-18,0
Медь
1,0-3,5
а также в вариантах сплава - Fe от 0,3 до 5,0; Mn от 0,1 до 2,0; Al от 0,15 до 0,5; C от 0,006 до 0,015; W от 0,27 до 0,5; Co от 0,1 до 2,0; Si от 0,02 до 0,1; Mg до 0,1; Ca до 0,05; N от 0,06 до 0,15.
Для этого сплава характерны низкие значения механических свойств, хорошая коррозионная стойкость в кислых средах и низкое сопротивление сульфидной коррозии (СК) в условиях работы тяжело нагруженных деталей при повышенных температурах.
Известен также жаропрочный никелевый сплав, предназначенный для тяжелонагруженных деталей, работающих при повышенных температурах.
Его состав (в мас.%):
Углерод
0,02-0,10
Хром
9,0-11,0
Кобальт
14,0-16,0
Вольфрам
5,2-6,8
Молибден
3,0-3,9
Титан
3,0-3,9
Алюминий
3,2-4,5
Ниобий
1,2-2,4
Гафний
0,05-0,5
Бор
0,005-0,05
Цирконий
0,001-0,05
Магний
0,001-0,05
Марганец
0,001-0,5
Кремний
0,001-0,5
Железо
0,001-1,0
Никель
Остальное
(Патент РФ 2294393 С22С 19/05, 2006 г. «Жаропрочный порошковый сплав на основе никеля.» - прототип).
Недостатком этого сплава является пониженное сопротивление сульфидной коррозии и существенное снижение его сопротивления малоцикловой усталости (МЦУ), являющейся основным показателем степени коррозионного поражения материала.
Предлагаемое изобретение направлено на разработку системы легирования никелевого сплава, повышающей сопротивление СК, и создание сплава с высоким сопротивлением СК и МЦУ при одновременном воздействии СК.
Существо его заключается в том, что в состав сплава вводится скандий, а также регламентируется суммарное содержание элементов (титан, молибден, ниобий), которое должно быть не ниже содержание хрома в сплаве. Введение скандия одновременно с регламентацией указанных элементов способствует повышению коррозионной стойкости оксидной пленки, образующейся в процессе испытаний или эксплуатации и тормозящей развитие малоцикловой усталости.
Состав сплава имеет следующее соотношение компонентов (в мас.%):
Углерод
0,02-0,10
Хром
9,0-11,0
Кобальт
14,0-16,0
Вольфрам
4,2-5,8
Молибден
4,5-5,0
Титан
3,0-3,9
Алюминий
3,2-4,5
Ниобий
2,5-3,5
Гафний
0,05-0,5
Бор
0,005-0,05
Цирконий
0,001-0,05
Магний
0,001-0,05
Скандий
0,001-0,05
Марганец
0,001-0,5
Кремний
0,001-0,5
Железо
0,001-1,0
Никель
Остальное
Предлагаемый на этой основе сплав отличается от прототипа тем, что он дополнительно содержит скандий и имеет повышенное содержание молибдена и ниобия, что связано с необходимостью во всех случаях выдерживать в составе сплава соотношение: ΣMo+Nb+Ti>Cr. Для сохранения весовых характеристик сплава и снижения потерь в его технологичности при изготовлении продукта также несколько уменьшено содержание вольфрама по сравнению с прототипом.
Технический результат - повышение стойкости к сульфидной коррозии и сопротивления малоцикловой усталости при одновременном воздействии сульфидной среды. При этом сопротивление малоцикловой усталости в сульфидной среде вследствие одновременного формирования оксидной пленки типа шпинелей с высокими антикоррозионными свойствами больше, чем на воздухе.
Пример
Методом порошковой металлургии была изготовлена заготовка диска ГТД из сплава предлагаемого состава (в мас.%):
Углерод
0,06
Хром
10,0
Кобальт
14,6
Вольфрам
4,5
Молибден
4,7
Титан
3,8
Алюминий
3,8
Ниобий
3,3
Гафний
0,1
Бор
0,015
Цирконий
0,01
Магний
0,02
Скандий
0,01
Марганец
0,1
Кремний
0,1
Железо
0,05
Никель
Остальное
Также было получено по такой же технологии аналогичное изделие из сплава состава прототипа, в котором было следующее содержание основных легирующих элементов: Cr - 9,7%; Мо - 3,4%; Ti - 3,2%; Nb - 1,8%; Со - 14,6%; W - 5,5%; Al -3,9%.
Полученные методом центробежного распыления порошки были засыпаны в стальные капсулы и скомпактированы в изделие методом ГИП (горячее изостатическое прессование) в газостате.
Коррозионные и механические свойства изделия из исследуемых сплавов представлены в таблице 1.
Таблица 1
Коррозионные и механические свойства изделия из сплавов
Состав сплава
Сульфидная коррозия при 650°C
Механические свойства при 20°C
Малоцикловая усталость при 650°C, частота 1 Гц, напряжение 1120 МПа
Скорость
Стойкость
Предел прочности, σ<sub>в</sub>
Предел текучести, σ<sub>02</sub>
Относительное удлинение, δ
Число циклов, n<sub>ср</sub>
Коэффициент влияния среды n<sub>ср</sub> среды/n<sub>ср</sub> воздух
г/м<sup>2</sup>ч
мм/год
Баллы
Состояние
МПА
МПА
%
Испытания на воздухе
Испытания в агрессивной среде
Предлагаемый
0,010
<0,01
3
Весьма стойкое
1515
1086
19,5
21285
40135
1,885
Прототип
0,030
<0,05
4
Стойкое
1500
1079
17,0
15845
7055
0,445
Из таблицы 1 видно, что сплав предлагаемого состава при рабочей температуре 650°C превосходит прототип по сопротивлению сульфидной коррозии в 3 раза, по сопротивлению малоцикловой усталости на воздухе в 1,35 раза, по сопротивлению малоцикловой усталости в сульфидной среде в 5,6 раза без снижения уровня механических свойств.
Таким образом, применение предлагаемого сплава для изготовления валов, дисков и других деталей газотурбинных двигателей позволит повысить их ресурс не менее чем в 1,5-2 раза.