СПЛАВ НА ОСНОВЕ ХРОМА Российский патент 2014 года по МПК C22C27/06 

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.

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^-1, сера не более 20 млн^-1, кислород не более 100 млн^-1, кислород в составе оксида не более 50 млн^-1, железо и др. примеси - остальное (пат. №7037467 США, МПК⁷ 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.

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 Al₂O₃, бериллия ВеО и иттрия Y₂O₃. 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 Температура
испытаний, °С Временное
сопротивление, МПа Условный
предел
текучести, МПа Относительное
удлинение, % Сплав 1 (предлагаемый) 20 1150 951 20,2 800 404 380 27,5 900 320 290 33,1 950 205 180 150 1000 130 85 180 Сплав 2 (предлагаемый) 20 1186 992 14,3 900 366 340 24,8 1055 125 87 48 1084 94 83 179 1086 89 82 136 1095 69 64 149 Сплав 3 (предлагаемый) 20 1212 1080 12,4 900 390 330 44 1100 82 79 51 1150 68 64 52,5 1200 65 62 130 Сплав 4 (прототип) 20 1180 980 18 800 420 405 25 900 300 290 120 1000 90 81 190 Примечание: выделена температура высокотемпературной ползучести, в области которой относительное удлинение возрастает на 80-150%.

Изобретение относится к деформируемым сплавам на основе хрома, работающим в окислительных средах при повышенных температурах в течение длительного времени. Сплав на основе хрома содержит, мас.%: никель 20,0-40,0, вольфрам 0,5-5,0, ванадий 0,05-1,0, титан 0,05-1,0, железо 0,1-5,0, хром - остальное. Отношение содержания хрома к сумме содержаний никеля и железа Cr/(Ni+Fe) составляет от 1,5 до 2. Сплав характеризуется высокой пластичностью при температуре горячей деформации. Расширяется температурный диапазон работы нагруженных конструкций за счет повышения температуры перехода от диффузионной к высокотемпературной ползучести. 2 ил., 1 табл., 2 пр.

Сплав на основе хрома, содержащий никель, вольфрам, ванадий, титан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:
никель 20,0-40,0 вольфрам 0,5-5,0 ванадий 0,05-1,0 титан 0,05-1,0 железо 0,1-5,0 хром остальное,