СПОСОБ АЗОТИРОВАНИЯ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ НА НИКЕЛЕВОЙ, ЖЕЛЕЗОНИКЕЛЕВОЙ, НИКЕЛЬ-КОБАЛЬТОВОЙ И КОБАЛЬТОВОЙ ОСНОВЕ Российский патент 2001 года по МПК C23C8/02 C23C8/24 

Предлагаемое изобретение относится к области химико-термической обработки сплавов и может быть использовано для изготовления наиболее высокотемпературных деталей и узлов (в том числе сварных) горячего тракта газотурбинных авиационных двигателей, стационарных газотурбинных установок и других изделий народного хозяйства, работающих при температурах до 1300^oC.

В настоящее время у нас в стране и за рубежом широко применяются способы химико-термической обработки, в частности азотирование и нитроцементирование сталей. С целью повышения эксплутационной стойкости стальные изделия подвергаются высокотемпературной выдержке в атмосфере азота или содержащего данный химический элемент газа (например, аммиак). (Заявка Японии N 62-192574, C 23 C 8/26; авт.св. СССР N 1217925, C 23 C 8/26, БИ N 10-86). Однако данные материалы, получая после азотирования высокие значения твердости и износостойкости, не обладают высокой жаропрочностью и не могут использоваться в качестве материалов горячего тракта ГТД.

Способ нитроцементации изделий из высоколегированных сталей, приведенный в авт.св. СССР N 1206334 (БИ N 3-86), заключается в нагреве до 950-1000^oC и выдержке в течение 5,9-6,1 ч в атмосфере природного газа и аммиака, последующей выдержке вначале в атмосфере полностью диссоциированного аммиака в течение 0,9-1,0 ч, затем в атмосфере природного газа и аммиака в течение 2,9-3,1 часа, подстуживании и выдержке в насыщающей среде. С целью повышения эксплутационной стойкости подстуживание осуществляется до 810-830^oC, а последующая выдержка проводится в течение 3,9-4,1 ч, при этом в качестве насыщающей среды используют природный газ. Недостатком этого способа является то, что стойкие к термическому воздействию нитридные фазы образуются только в поверхностных слоях изделий, не обеспечивая им высокой жаропрочности и термостойкости.

Технической задачей данного изобретения является повышение рабочей температуры азотируемого материала до 1300^oC, близкой к температуре плавления жаропрочных сплавов, повышение характеристик жаропрочности, термостойкости и выносливости. Для достижения указанной задачи предложен способ азотирования жаропрочных сплавов на никелевой, железоникелевой, никель-кобальтовой и кобальтовой основе, а также изделие из жаропрочных сплавов.

Способ включает:
1) продувку деталей потоком азота со скоростью подачи 10-20 л в минуту в течение 1,0-2 ч;
2) нагрев деталей до температуры 1150-1250^oC;
3) выдержку деталей в потоке азота при температурах 1150-1250^oC в течение 10-100 ч при скорости подачи азота 3-10 л в минуту.

4) охлаждение со скоростью не менее 50^oC/мин до температуры, ниже которой образования нитридных фаз не происходит.

Такой способ азотирования позволяет получить структуру, содержащую в качестве упрочняющей фазы нитриды легирующего элемента, обладающего наибольшей свободной энергией их образования, и избежать образования нежелательных нитридов других легирующих элементов жаропрочного сплава. Нитриды наиболее активного по отношению к азоту элемента распределены по телу зерен и их границам на глубину до 1-1,5 мм от поверхности.

Заявленное изделие из жаропрочных сплавов на никелевой, железоникелевой, никель-кобальтовой и кобальтовой основе получено вышеуказанным способом.

Способ поясняется табл. 1 и 2.

Пример 1:
Лист толщиной 1,5 мм из сплава на никелевой основе содержащего 25 мас.% хрома, 10 мас. % кобальта, 12 мас.% вольфрама, 3 мас.% титана, 2 мас.% молибдена, 0,03 мас.% магния, подвергался продувке азотом со скоростью подачи 10 л в минуту в течение 1 ч, затем температура поднималась до 1150^oC и лист выдерживался 10 ч при скорости подачи азота 3 л в минуту и затем охлаждался со скоростью 50^oC/мин до температуры 700^oC. Механические свойства, полученные на указанном листе, представлены в табл. 2 (сплав 1).

Пример 2:
Лист из сплава на кобальтовой основе подвергался продувке азотом со скоростью 15 л в минуту в течение 1,5 ч, затем температура поднималась до 1200^oC, и лист выдерживался 50 ч при скорости подачи азота 8 л в минуту и охлаждался со скоростью 70^oC/мин до температуры 800^oC. Механические свойства, полученные на указанном сплаве, представлены в табл. 2 (сплав 2).

Пример 3:
Лист из сплава на железоникелевой основе продувался азотом со скоростью 20 л в минуту в течение 2 ч, затем температура повышалась до 1250^oC и лист выдерживался 100 ч при скорости подачи азота 10 л в минуту и охлаждался со скоростью 100^oC/мин до температуры 650^oC. Механические свойства, полученные на указанном сплаве, представлены в табл. 2 (сплав 3).

Пример 4 - аналог (SU 1206334): Лист из сплава на никелевой основе, содержащего 25 мас.% хрома, 10 мас.% кобальта, 12 мас.% вольфрама, 3 мас.% титана, 3 мас.% молибдена, 0,03 мас.% магния, подвергался нагреву при 1000^oC и выдержке в течение 6 ч в атмосфере природного газа и аммиака, последующей выдержке вначале в атмосфере полностью диссоциированного аммиака в течение 1 ч, затем в атмосфере природного газа и аммиака в течение 3 ч, подстуживании и выдержке в насыщающей среде. Подстуживание осуществлялось до 800^oC, а последующую выдержку проводили в течение 4 ч. В качестве насыщающей среды использовали природный газ. Механические свойства, полученные по способу-прототипу, представлены в табл. 2 (сплав 4).

В табл. 1 представлены режимы азотирования предлагаемого способа и способа-прототипа, а в табл. 2 - механические свойства. Как видно из табл. 2, предлагаемый способ позволяет получить значительно более высокий уровень характеристик длительной прочности и термостойкости в 2,5-9 раз, рабочая температура возрастает на 200^oC.

Таким образом, использование жаропрочных сплавов, обработанных предлагаемым способом, позволяет повысить характеристики ГТД нового поколения: КПД на 5-10%, ресурс в 1,5-2 раза, увеличить тягу, снизить вес на 5-10%.

Способ азотирования жаропрочных сплавов на никелевой, железоникелевой, никель-кобальтовой и кобальтовой основе включает продувку потоком азота, нагрев до 1150-1250°С, последующую выдержку при этой температуре в потоке азота, который подается со скоростью 3-10 л/мин, и охлаждение со скоростью не менее 50°С/мин до температуры, ниже которой образование нитридных фаз не происходит. Продувку деталей осуществляют со скоростью подачи азота 10-20 л/мин, в течение 1-2 ч, выдержку в потоке азота проводят в течение 10-100 ч, а охлаждение осуществляют принудительно в воде или на воздухе. Изделие из жаропрочных сплавов изготавливают вышеуказанным способом. Изобретение позволяет значительно повысить уровень характеристик длительной прочности и термостойкости (в 2,5-9 раза), а рабочая температура изделий возрастает на 200°С. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ азотирования жаропрочных сплавов на никелевой, железоникелевой, никель-кобальтовой и кобальтовой основе, отличающийся тем, что проводят продувку потоком азота, осуществляют нагрев до 1150 - 1250^oC, последующую выдержку при этой температуре в потоке азота, который подается со скоростью 3 - 10 л/мин, и охлаждение со скоростью не менее 50^oC/мин до температуры, ниже которой образование нитридных фаз не происходит. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что продувку деталей осуществляют со скоростью подачи азота 10 - 20 л/мин в течение 1 - 2 ч. 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что выдержку в потоке азота проводят в течение 10 - 100 ч. 4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что охлаждение проводят принудительно в воде или на воздухе. 5. Изделие из жаропрочных сплавов, отличающееся тем, что оно получено способом по любому из пп.1 - 4.