СПЛАВ НА ОСНОВЕ ХРОМА
CHROMIUM-BASED ALLOY

Изобретение относится к деформируемым сплавам на основе хрома, работающим в окислительных средах при повышенных температурах в течение длительного времени.
Известны сплавы на основе хрома, работающие в газовых средах при высоких температурах, содержащие компоненты при следующем соотношении, масс.%:
хром 55-70, вольфрам 2-8, алюминий 0,5-2, титан 0,2-0,8, кремний 0,6-2, углерод 0,1-0,4, азот 0,003-0,008, бор 0,005-0,03, никель 1-1,5, железо - остальное (а.с. СССР №1475177, №1683346). Сплавы относятся литейным и не предназначены для деформации.
-1
-1
-1
-1
7
Известны сплавы на основе хрома, позиционируемые как обладающие наилучшим соотношением между прочностью и пластичностью при высокой температуре. Сплав с наилучшим соотношением прочность-пластичность при температуре не ниже 1000°С, а для сверхвысокой температурной зоны не ниже 1050°С содержит не менее 65% хрома, сумма углерода и азота не более 20 млн, сера не более 20 млн, кислород не более 100 млн, кислород в составе оксида не более 50 млн, железо и др. примеси - остальное (пат. №7037467 США, МПК С22С 27/06, опубликован, 02.05.2006). Согласно регламенту авторов патента, требования к шихте при выплавке сплава по чистоте хрома не ниже 99,9%, по железу - 99,998%, а к технологии - плавка в водоохлаждаемом медном тигле. Недостатком сплава является низкая технологичность при выплавке.
2
3
2
3
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту оптимального соотношения между жаропрочностью и технологической пластичностью является сплав ВХ4, содержащий компоненты при следующем соотношении, масс.%: хром - основа, никель 31-35, вольфрам 1-3, ванадий 0,1-0,4, титан 0,05-0,3 (Б.А. Колачев, В.А. Ливанов, В.Н. Елагин. - «Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов». Изд-во «Металлургия, 1981). Сплав выплавляют в вакуумных индукционных печах с использованием огнеупоров на основе оксидов алюминия AlO, бериллия ВеО и иттрия YO. Деформированные полуфабрикаты (прутки, трубы, листы, поковки, штамповки и др.) получают методами горячей деформации. Сплав способен длительно работать без защитных покрытий до температуры 1350°С. Жаропрочность при температуре 1000°С - 240 МПа. Однако при этой температуре сплав имеет низкое сопротивление ползучести, в силу чего температурный диапазон работы нагруженных конструкций ограничен 800-900°С.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является расширение температурного диапазона работы нагруженных конструкций за счет повышения температуры перехода от диффузионной к высокотемпературной ползучести.
Технический результат - сохранение высокой пластичности при температуре горячей деформации.
Это достигается тем, что сплав на основе хрома, содержащий никель, вольфрам, ванадий и титан, дополнительно содержит железо при следующем соотношении компонентов, масс.%: никель 20-40, вольфрам 0,5-5, ванадий 0,05-1, титан 0,05-1, железо 0,1-5, а отношение Cr/(Ni+Fe) выбирается в пределах от 1,5 до 2.
Содержание никеля в пределах 20-40 масс.% обеспечивает высокую технологическую пластичность при горячей деформации за счет высокой объемной составляющей твердого раствора на основе никеля в двухфазном сплаве α (твердый раствор Ni в Cr) + γ (твердый раствор Cr в Ni), по которому преимущественно развивается пластическая деформация (фиг.1).
Содержание вольфрама, ванадия и гитана в указанных пределах упрочняют сплав. Железо уже при содержании 0,1-0,2 масс.% заметно увеличивает температуру перехода от диффузионной к высокотемпературной ползучести и понижает скорость высокотемпературной ползучести. При содержании железа >5 масс.% резко снижается технологическая пластичность и возрастает температура горячей деформации. Отношение Cr/(Ni+Fe) в пределах от 1,5 до 2 определяется, с одной стороны, условиями обеспечения технологической пластичности, достаточной для горячей деформации, с другой стороны - формированием перколяционного кластера α-твердого раствора на основе хрома, ответственного за жаропрочность.
Примеры конкретного применения.
Пример 1.
Сплав 1 на основе хрома, содержащий (масс.%): никель 33,3, вольфрам 0,8, ванадий 0,25, титан 0,11, железо 0,2. Соотношение Cr/(Ni+Fe)=1,95.
Пример 2.
Сплав 2 на основе хрома, содержащий (масс.%): никель 33,1, вольфрам 1,68, ванадий 0,06, титан 0,1, железо 1,52. Соотношение Cr/(Ni+Fe)=1,84.
Пример 3.
Сплав 3 на основе хрома, содержащий (масс.%): никель 31,5, вольфрам 4,81, ванадий 0,9, титан 0,8, железо 4,82. Соотношение Cr/(Ni+Fe)=1,57.
Пример 4 (прототип).
Сплав на основе хрома, содержащий (масс.%): никель 32, вольфрам 2,08, ванадий 0,35, титан 12, железо 0,042. Соотношение Cr/(Ni+Fe)=2,04.
Во всех примерах механические испытания проводили на прессованном прутке ⌀26 мм. Технология получения прессованного прутка ⌀26 мм включала вакуумно-индукционную выплавку слитков, электрошлаковый переплав слитков и прессование прутка.
Температура перехода от диффузионной ползучести к высокотемпературной ползучести увеличивается по мере повышения содержания железа при условии соотношения Cr/(Ni+Fe) в пределах 1,5-2.
Сплавы предлагаемого состава 1-3 имеют температуру перехода от диффузионной к высокотемпературной ползучести по крайней мере на 50°С выше, чем прототип, сохраняя высокую пластичность при температуре горячей деформации (таблица 1), что особенно наглядно демонстрирует диаграмма (фиг.2).
Таблица 1
Механические свойства сплавов хрома
Объект
Температураиспытаний, °С
Временноесопротивление, МПа
Условныйпределтекучести, МПа
Относительноеудлинение, %
Сплав 1 (предлагаемый)
20
1150
951
<b>20,2</b>
800
404
380
<b>27,5</b>
900
320
290
<b>33,1</b>
950
205
180
<b>150</b>
1000
130
85
<b>180</b>
Сплав 2 (предлагаемый)
20
1186
992
<b>14,3</b>
900
366
340
<b>24,8</b>
1055
125
87
<b>48</b>
1084
94
83
<b>179</b>
1086
89
82
<b>136</b>
1095
69
64
<b>149</b>
Сплав 3 (предлагаемый)
20
1212
1080
<b>12,4</b>
900
390
330
<b>44</b>
1100
82
79
<b>51</b>
1150
68
64
<b>52,5</b>
1200
65
62
<b>130</b>
Сплав 4 (прототип)
20
1180
980
<b>18</b>
800
420
405
<b>25</b>
900
300
290
<b>120</b>
1000
90
81
<b>190</b>
Примечание: выделена температура высокотемпературной ползучести, в области которой относительное удлинение возрастает на 80-150%.