ТВЕРДЫЙ СПЛАВ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО Российский патент 2005 года по МПК C22C29/06 

Изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно к твердым сплавам и изделиям, получаемым из них. Твердые сплавы на основе карбидов переходных металлов, в которых в качестве связки используются жаропрочные сплавы на основе интерметаллидного соединения Ni₃Аl, характеризуются высокими механическими свойствами при повышенных температурах и очень хорошей коррозионной стойкостью, что позволяет говорить о перспективности использования их для работы в узлах и деталях горячего тракта авиационных газовых турбин, поверхности которых испытывают значительные контактные нагрузки и эксплуатируются длительно при температурах до 1000°С. К таким деталям можно отнести сопрягаемые элементы жаровых труб и камер сгорания, вкладыши сопловых аппаратов, бандажные полки и реборды рабочих и сопловых лопаток. Кроме того, существует возможность использования сплавов в виде механически легированного композиционного порошка для покрытий при восстановлении деталей двигателя из жаропрочных сплавов.

Твердые сплавы на основе карбидов титана и карбидов вольфрама известны своей износостойкостью, стойкостью к коррозии и используются в качестве штампового и инструментального материала. Но недостатком этих сплавов является то, что сплавы на основе карбида вольфрама с кобальтовой связкой при возникновении высоких температур выходят из строя из-за разупрочнения связки, а сплавы на основе карбида титана со стальной связкой также работоспособны лишь до температур 400-500°С /Р.Киффер, П.Шварцкопф. Твердые сплавы. - М.: 1987 г., Якоб Кюбарсепп. Твёрдые сплавы со стальной связкой. - Таллинн: Валгус - ТТУ, 1991 г./.

Известны композиты на основе карбида титана и карбида вольфрама со связками из высокохромистой инструментальной стали, никель-молибденовыми и кобальтовыми сплавами, где карбид титана составляет 70-95% объема композита, обладающие высокой эррозионной стойкостью при комнатной температуре, но имеющие недостаточную износостойкость при повышенных температурах /Патент США № 5.574.954/.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является твердый спеченный сплав, содержащий тугоплавкие соединения переходных металлов с углеродом и азотом, а именно карбид и нитрид титана, карбид хрома, а также никель, хром, титан и алюминий, при следующем содержании компонентов (мас.%):

Сr 1-5

Аl 1-3

Ti 1-3

Ni 17-19

TiN 10-20

Сr₂С₃ 5-10

TiC ост.

причем суммарное содержание нитрида титана, карбида хрома и карбида титана составляет 70-80 мас.% /Авторское свидетельство СССР № 1499963, БИ № 12 1999 г./.

Недостатком сплава является недостаточно высокая прочность и твердость его при высоких температурах, что не позволяет использовать сплав и детали, выполненные из него, например бандажные полки лопаток и вкладыши соплового аппарата при температурах до 1000°С.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание твердого сплава с повышенной прочностью и твердостью, позволяющей использовать изделия, выполненные из него при высоких температурах до 1000°С в качестве деталей ГТД.

Для достижения поставленной технической задачи предлагается твердый сплав, содержащий тугоплавкое соединение переходного металла с углеродом, никель, алюминий, хром, титан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит вольфрам и молибден, а в качестве тугоплавкого соединения с углеродом содержит карбид переходного металла, выбранного из группы: титан, хром, цирконий, вольфрам, ниобий, при следующем соотношении компонентов (мас.%):

Ni 12,0-45,0

Al 1,2-5,4

Cr 0,8-3,9

Ti 0,1-0,9

W 0,4-2,4

Мо 0,5-2,4

карбид переходного металла,

выбранный из группы: Ti, Cr, Zr, W, Nb 40,0-85,0

и изделие, выполненное из него.

Предложенное содержание Al и Ni образует в связке твердого сплава интерметаллид никеля. Авторами было установлено, что при дополнительном легировании связки твердого сплава на основе интерметаллида никеля молибденом и вольфрамом из-за большой удельной доли твердорастворного упрочнения и использования карбидов, выбранных из группы: титан, хром, цирконий, вольфрам, ниобий, достигается наибольший эффект повышения твердости и прочности на изгиб материала при высоких температурах, что позволяет повысить рабочую температуру сплава с 800 до 1000°С и, следовательно, тепловые и силовые нагрузки материала, а также срок службы и надежность.

Примеры осуществления.

Сплав изготавливали методом механического легирования порошков с последующим их компактированием. Исходные компоненты подвергались обработке в аттриторе. Порошок компактировали двумя путями: горячей экструзией и спеканием. В первом случае механически легированный порошок экструдировали на прутковый полуфабрикат. Образцы для испытаний изготавливались шлифованием.

Во втором случае механически легированный порошок прессовали и спекали. Испытывались спеченные образцы. Испытания по измерению твердости осуществлялись согласно ГОСТ 9013-84 на лабораторном оборудовании и по методике ИМЕТ им. А.А.Байкова РАН.

Испытания по определению прочности на изгиб проводились по методикам ФГУП ВИАМ и ЦИАМ на лабораторном оборудовании. Испытания по определению термостойкости осуществлялись по методике ФГУП ВИАМ (СТП 595-14-150-85).

Составы и свойства предлагаемого твердого сплава и сплава - прототипа приведены в таблицах 1 и 2.

Из таблицы 2 видно, что свойства предлагаемого твердого сплава при 1000°С выше, чем свойства известного сплава-прототипа: предел прочности при изгибе при температуре 1000°С - на 28-30 %; твердость при температуре 1000°С - на 20-40 %, термостойкость - на 20-40%.

Таким образом, использование предлагаемого твердого сплава с повышенной прочностью и твердостью при температуре 1000°С повышает износостойкость изделий, выполненных из него, и, следовательно, тепловые и силовые нагрузки, их ресурс и надежность.

Таблица 1Составы предлагаемого твердого сплава и сплава - прототипаСоставСодержание элементов, мас.% NiАlCrTiWМоTiCСr₂С₃ZrCWCNbCTiN120,02,01,30,20,70,875,0-----212,01,20,80,10,40,5----85,0-331,03,22,50,41,41,5--60,0---437,54,63,30,71,92,0---50,0--545,05,43,90,92,42,4-40,0----Прототип18,02,03,02,0--52,08,0---15,0Примечание: составы 1, 2 изготовлены спеканием, составы 3,4,5 изготовлены горячей экструзией.

Таблица 2Свойства предлагаемого твердого сплава и сплава - прототипаСоставПредел прочности при изгибе, МПаТвердостьТермостойкость, количество термоударов до разрушенияHRAHV, ГПа20°С1000°C20°С20°С1000°С1000°С11500135091,016,011,055021450125091,516,512,045031500130090,015,09,053041450130089,014,59,052051450125088,014,08,5500Прототип145090090,015,07,0350

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к твердым сплавам, в которых в качестве связки используются жаропрочные сплавы. Может применяться для изготовления деталей горячего тракта авиационных газовых турбин. Твердый сплав содержит следующие компоненты, мас.%: Ni 12,0-45,0; Al 1,2-5,4; Cr 0,8-3,9; Ti 0,1-0,9; W 0,4-2,4; Мо 0,5-2,4; карбид переходного металла, выбранного из группы, включающей Ti, Cr, Zr, W, Nb, 40,0-85,0. Техническим результатом является повышение прочности и твердости при температуре 1000°С. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.

1. Твердый сплав, содержащий тугоплавкое соединение переходного металла с углеродом, никель, алюминий, хром, титан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит вольфрам и молибден, а в качестве тугоплавкого соединения с углеродом содержит карбид переходного металла, выбранного из группы титан, хром, цирконий, вольфрам, ниобий, при следующем соотношении компонентов, маc.%:

Ni 12,0-45,0

Аl 1,2-5,4

Cr 0,8-3,9

Ti 0,1-0,9

W 0,4-2,4

Мо 0,5-2,4

Карбид переходного металла,

выбранного из группы Ti, Cr, Zr, W, Nb 40,0-85,0