Жаропрочный сплав на железоникелевой основе

ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ЖЕЛЕЗОНИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ, содержащий углерод, ниобий, титан, отличающийся тем, что, с целью повышения низкого температурного коэффициента линейного расширения в сочетании с высокой кратковременной прочностью, он дополнительно содержит кобальт, ванадий, иттрий, церий, лантан, бор, магний при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод 0,01 - 0,1
Никель 35,0 - 40,0
Кобальт 10,0 - 27,0
Ниобий 3,0 - 7,0
Титан 0,05 - 2,0
Ванадий 0,1 - 1,0
Магний 0,005 - 0,1
Иттрий 0,005 - 0,1
Церий 0,005 - 0,1
Лантан 0,005 - 0,1
Бор 0,001 - 0,1
Железо Остальное

Изобретение относится к металлургии жаропрочных свариваемых сплавов на железноникелевой основе с низким температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР), и может быть использовано в качестве материала для изготовления деталей газотурбинных двигателей с рабочей температурой до 800^оС, а также как материал планера летательного аппарата.
В качестве аналогов предлагаемого сплава можно принять сплавы ХН45МВТЮБР (ЭП718), авт. св. N 350772 и ХН30ВМТ (ЭП437), авт.св. N 350372.
Однако данные сплавы обладают относительно высоким типичным для жаропрочных сплавов на Ni и Fe-Ni основах коэффициентом линейного расширения и имеют ограниченные значения кратковременной прочности.
Наиболее близким к предлагаемому является сплав ЭП718 (авт.св. N 350372), широко применяемый в авиационной промышленности для изготовления корпусных деталей, колец, валов и др. и имеющий следующий химический состав, мас.%:
Углерод Не более 0,1 Никель 40-46 Хром 14-16
Молибден 4,0-5,5
Вольфрам 2,0-3,5
Титан 1,8-2,4
Алюминий 0,9-1,4
Ниобий 0,8-1,3
Бор 0,008
Цирконий 0,02
Железо Основа
(Т.У. 1.4-3905-85)
Однако сплав ЭП718 имеет высокий температурный коэффициент линейного расширения и недостаточно высокую кратковременную прочность.
Изготовление деталей ГТД из предлагаемого сплава с низким коэффициентом взамен сплава ЭП718 позволит повысить КПД двигателя за счет уменьшения компенсационных зазоров между деталями, а также снизить термические напряжения в местах сопряжения металлов с различным за счет использования предлагаемого сплава в качестве переходного материала.
Предлагаемый сплав может быть применен также в качестве материала обшивки летательных аппаратов, т.к. низкое значение коэффициента позволит избежать растрескивания сварных швов изделий, больших по габаритам. Кроме того, увеличение характеристик кратковременной прочности приведет к снижению веса изделия и повысит его надежность.
Целью изобретения является снижение температурного коэффициента линейного расширения жаропрочного сплава на железоникелевой основе при одновременном повышении кратковременной прочности.
Это достигается определенным содержанием никеля и отсутствием хрома, что обеспечивает инварную аномалию, легированием сплава кобальтом, ниобием, титаном, ванадием, а также введением Mg, I, Cl, La, B, V, Co.
Сплав содержит, мас.%:
Углерод 0,01-0,1
Никель 35,0-40,0
Кобальт 10,0-27,0
Ниобий 3,0-7,0
Титан 0,05-2,0
Ванадий 0,1-1,0
Магний 0,005-0,1
Иттрий 0,005-0,1
Церий 0,005-0,1
Лантан 0,005-0,1
Бор 0,001-0,01
Железо Основа
Примеси:
Кремний Не более 0,5
Марганец Не более 0,1
Сера Не более 0,005
Фосфор Не более 0,015
В отличие от сплава ЭП718 в химическом составе предлагаемого сплава пониженное содержание никеля и отсутствует хром, что позволяет использовать инварную аномалию термического расширения.
Введение в предлагаемый сплав кобальта позволяет расширить ферромагнитную область сплава, т.е. повысить точку Кюри, при этом достигается относительное постоянство коэффициента в ферромагнитной области.
В данной композиции для получения более высокой кратковременной прочности и улучшения технологической пластичности и свариваемости при условии сохранения аномального коэффициента на достаточно низком уровне использованы соответственно ниобий и ванадий, которые при выбранном соотношении элементов существенно не влияют на температурный коэффициент линейного расширения.
Магний за счет образования соединений с высокой температурой плавления способствует получению низких значений коэффициента , а также росту характеристик технологической пластичности, свариваемости и длительной прочности.
Иттрий, церий, лантан, бор за счет снижения дефектности границ зерен увеличивают длительную прочность сплава. Кроме того, иттрий, церий, лантан, при отсутствии в сплаве хрома, несколько увеличивают жаростойкость, т.е. окислы этих металлов входят в состав окисной пленки, снижая ее дефектность.
П р и м е р. Холоднокатаный лист предлагаемого сплава толщиной 1-2 мм изготовлялся в лабораторных условиях.
Металл предлагаемого сплава выплавлялся в вакуумной индукционной печи ВИАМ-1635 и разливался в 10 кг слитки. Поверхность слитков подвергалась механической обдирке, от них срезались донная и прибыльная части. Затем слитки нагревались на 1140^оС и ковались на сутунку 30 х x150 х 200 мм с осадкой по высоте на ковочном прессе 800 т.с. Кованые сутунки подвергались горячей прокатке на лист =2-3 мм на стане ДУО-800.
Температура нагрева под прокатку - 1140^оС. Горячекатаные листы отжигались при 1000^оС и подвергались щелочно-кислотному травлению, а затем - холодной прокатке на лист на стане Кварто-800.
Холоднокатаные листы подвергались термообработке: закалка 980^оС, охл. на воздухе; старение 720^оС, 8 ч, охл. с печью до 620^оС далее старение 8 ч. охл. на воздухе.
В табл. 1 приведены химические составы различных плавок предлагаемого сплава, в табл. 2 - соответствующие им значения температурного коэффициента линейного расширения , в табл. 3 - механические свойства. Также была проведена сварка образцов и определена критическая скорость сварки в шве, которая составляет 3,64 мм/мин против 1,9-2,4 мм/мин для сплава ЭП718.
Определение коэффициента проводилось дилатометрическим методом на дилатометре L-75/80 фирмы "Линсайс" по стандартной методике СТП 1.599.4/8-79 г., предусматривающей нагрев-охлаждение испытуемого образца со скоростью 5 К/мин. Запись удлинения испытуемого образца производилась с усилением сигнала в 1000-крат.
Из данных табл. 2 следует, что коэффициент предлагаемого сплава существенно ниже, чем у сплава ЭП718, на 20-30%. Кроме того, предлагаемый сплав отличается относительным постоянством коэффициента в ферромагнитной области. Так, величина ^20-100- ^20-600, характеризующая рост коэффициента в зависимости от температуры, для предлагаемого сплава составляет от 0,5 до 0,0 вместо 1,7 для сплава ЭП718.
Вместе с тем предлагаемый сплав обладает более высокой кратковременной прочностью (табл. 3) _B ²⁰=125-140 кГс/мм² против 115 кГс/мм² для сплава ЭП718.
Содержание элементов в сплаве в количествах, меньших нижнего предела (табл. 1 плавка 4), приводит к сужению ферромагнитной области (Т_с - точка Кюри - 325^оС), что является нежелательным, т.к. при переходе в парамагнитное состояние резко возрастает коэффициент , что подтверждается величиной ^20-100- ^20-600, которая в данном случае составляет 1,7 (табл. 2) и способствует резкому падению прочности (табл. 3).
Содержание элементов в количествах, больших верхнего предела (плавка 5), приводит к повышению коэффициента (табл. 2) и резкому падению пластичности в связи со значительным ростом количества упрочняющей фазы.
Таким образом, использование предлагаемого сплава взамен сплава ЭП718 позволит за счет низкого коэффициента повысить КПД двигателя, снизить термические напряжения в местах сопряжения материалов с различным . Увеличение характеристик кратковременной прочности приведет к снижению веса изделия и повысит его надежность.
Изобретение относится к металлургии, а именно к жаропрочным свариваемым сплавам на железоникелевой основе с низким температурным коэффициентом линейного расширения, и может быть использовано в качестве материала для изготовления деталей газотурбинных двигателей с рабочей температурой до 800*?С, а также как материал планера летательных аппаратов. Сплав содержит следующие компоненты, мас. % : углерод 0,01-0,1; никель 35,0-40,0; кобальт 10,0-27,0; ниобий 3,0-7,0; титан 0,05-2,0; ванадий 0,1-1,0; магний 0,005-0,1; иттрий 0,005-0,1; церий 0,005-0,1; лантан 0,005-0,1; бор 0,001-0,1; железо остальное. Введение в сплав Co, V, Y, Cl, La, B, Mg позволяет снизить ТКЛР в сочетании с высокой кратковременной прочностью. Предлагаемый сплав обладает следующими свойствами: ^20-60 =8.9-12 1 10^-6C^{-1 2}_в⁰= 125-140 кгс/мм² .