ПРИСАДОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ Российский патент 2016 года по МПК B23K35/30 C22C19/05 

Описание патента на изобретение RU2602570C1

Изобретение относится к сплавам на основе никеля в качестве присадочного материала, выполненным в виде «лапши» или в виде сварочной проволоки для ручной аргонодуговой сварки (АрДЭС) и автоматической аргонодуговой сварки (ААрДЭС), предназначенного для изготовления деталей и узлов наиболее высокотемпературных зон горячего тракта перспективных двигателей, длительно работающих при температурах до 1200°С.

Присадочные материалы рекомендуются для сварки с разделкой кромок, а также при необходимости изменения формы и состава шва, технологических, механических свойств и структуры сварных соединений. Сварочные проволоки по принципу их упрочнения можно разделить на две группы: из гомогенных сплавов, легированные большим количеством кобальта и тугоплавкими металлами, - хромом, вольфрамом, молибденом, упрочняющими твердый раствор, работоспособные до температуры 1100°С; дисперсионно-твердеющие, при сварке которыми наплавленный металл, содержащий алюминий и титан, после старения упрочняется в результате выделения γ′-фазы (Ni3Al, Ti), температуры эксплуатации которых не превышают 1000°С.

В настоящее время в России разработаны жаропрочные свариваемые никелевые сплавы нового класса, легированные кобальтом, тугоплавкими металлами и титаном, упрочнение которых достигается в процессе высокотемпературной химико-термической обработки (азотирования), работоспособные до температуры 1200°С, за счет образования дисперсных частиц нитридов титана. Для расширения возможностей использования новых материалов в перспективных изделиях авиационной, энергетической техники стоит задача разработки состава присадочного материала, сочетающего высокие характеристики длительной и кратковременной прочности, ударной вязкости и стойкости против образования горячих трещин при сварке, с рабочей температурой до 1200°С.

Известен гомогенный жаропрочный Ni-Cr-Mo присадочный материал (патент SU 1520871, опубл. 30.06.1994 г.) состава, мас. %:

углерод 0,005-0,05 хром 10-20 молибден 13-20 вольфрам 0,5-10 ниобий 0,2-1,0 церий 0,001-0,01 иттрий 0,002-0,01 магний 0,003-0,07 никель остальное

Известный сплав с рабочей температурой до 1000°С на основе никеля, имеет высокую стойкость к образованию горячих трещин при сварке - Акр=5,0-7,2 мм/мин, жаропрочность - 61000100=30 МПа.

Известен гомогенный свариваемый сплав и присадочный материал (патент US 6302649, опубл. 16.10.2001 г.) состава, мас. %:

углерод 0,09 хром 18-22 кобальт 10 сумма тугоплавких элементов 15-28 алюминий 0,5-1,5 кремний 0,2-0,45 марганец 0,4-1,2 цирконий 0,06 бор 0,015 никель остальное

Известный сплав с рабочей температурой до 1100°С имеет жаропрочность - 61093100=29 МПа.

Известен гомогенный сварочный электрод из Ni-Cr-Mo сплава (патент FR 2786419, опубл. 13.06.2000 г.), используемый при ремонте узлов двигателя, состава, мас. %:

углерод <0,02 вольфрам 0,1-5,0 молибден 8,0-12,0 сумма молибдена и вольфрама >12 хром 20-24 алюминий 0,03-0,4 магний 0,004-0,04 никель остальное

Известный сплав с рабочей температурой до 1000°С с недостаточно высокой жаропрочностью (61000100=25 МПа) и высокой ударной вязкостью (KCU+20=166 Дж/см2) без термической обработки.

Известен свариваемый, слабостареющий сплав на основе никеля (патент RU 2285059, опубл. 10.10.2006 г.) для изготовления жаровых труб камер сгорания, корпусов, кожухов и других узлов ГТД состава, мас. %:

углерод 0,03-0,1 хром 20-32 молибден 10,5-18 вольфрам 0,3-3 ниобий 2,1-4,5 алюминий 1,0-1,8 ванадий 0,1-1,0 лантан 0,001-0,10 магний 0,001-0,05 бор 0,0001-0,006 церий 0,001-0,06 никель остальное

Известный сплав работает при температурах до 1000°С. Имеет недостаточно высокую жаропрочность - 61000100=25 МПа и высокую стойкость к образованию горячих трещин при сварке - Акр=5,0 мм/мин.

Известен дисперсионно-твердеющий присадочный материал (патент SU 1628369, опубл. 30.07.1994 г.) для сварки никелевых сплавов состава, мас. %:

углерод 0,21-0,6 молибден 5,5-9,5 вольфрам 4-7 марганец 0,5-3,0 хром 6-11 кобальт 8-12 ниобий 3,6-6,5 тантал 0,05-1,5 алюминий 2,6-4,0 титан 0,1-0,8 церий 0,001-0,08 иттрий 0,02-0,3 бор 0,002-0,08 магний 0,01-0,1 никель остальное

Известный присадочный материал работает длительно при температурах до 950°С. Обладает повышенными значениями жаропрочности (6950100=50 МПа), но низкой стойкостью против растрескивания сварных соединений (Акр=2,7-3,1 мм/мин).

Все вышеуказанные гомогенные и дисперсионно-твердеющие свариваемые сплавы и присадочные материалы имеют рабочие температуры не более 1100°С, которые в настоящее время являются заниженными относительно требований к материалам для перспективных изделий авиационной техники. Повышение рабочих температур деталей из жаропрочных никелевых сплавов на 100-150°С достигается путем упрочнения методом химико-термической обработки.

Известен свариваемый Ni-Cr-Co сплав (патент RU 2283361, опубл. 10.09.2006 г.), упрочняемый химико-термической обработкой (азотирование) для изготовления жаровых труб камер сгорания, корпусов, кожухов и других узлов ГТД состава, мас. %:

углерод 0,01-0,06 хром 24-34 никель 20-35 вольфрам 7-14 молибден 0,5-5,0 титан 1,3-3,5 алюминий 0,03-3,0 магний 0,003-0,08 лантан 0,003-0,1 бор 0,0003-0,008 церий 0,0003-0,06 кобальт остальное

Известный сплав работоспособен до температуры 1200°С. Имеет высокую жаропрочность - 61000100=55-70 МПа, 61200100=19-23 МПа, но низкую стойкость к образованию горячих трещин при сварке - А кр=3,1 мм/мин, низкую ударную вязкость - KCV+20=13-19 Дж/см2 и низкую пластичность - δ+20=8-10%.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является присадочный материал (патент RU 2373038, опубл. 20.11.2009 г.), применяемый для сварки никелевых сплавов, упрочняемых химико-термической обработкой (азотирование), состава, мас. %:

углерод 0,05-0,1 хром 21-24 молибден 6,5-7,5 вольфрам 6,5-7,5 титан 1,7-2,1 кобальт 10,5-12,5 кремний 0,1-0,3 марганец 0,1-0,5 магний 0,01-0,05 лантан 0,01-0,05 никель остальное

Однако вышеуказанный присадочный материал имеет недостаточно высокий предел кратковременной (61200в=70 МПа) и длительной прочности сварных соединений (61200100=14 МПа) и невысокую стойкость против образования горячих трещин (А кр≤4,0 мм/мин).

Технической задачей и техническим результатом изобретения является разработка присадочного материала на основе никеля, обеспечивающего повышение стойкости против образования горячих трещин при сварке жаропрочных никелевых сплавов, а также повышение ударной вязкости и жаропрочности после упрочняющей химико-термической обработки (азотирование). Состав присадочного материала должен обеспечить:

- прочность сварных соединений - (0,8-0,9) от прочности основного материала при температурах 1100-1200°С;

- KCV+20≥20 Дж/см2;

- стойкость против образования горячих трещин Vкр≥4,0 мм/мин;

- длительную прочность сварных соединений при температурах 1100, 1200°С (σ1100, 1200100) - не менее 0,8 от прочности основного материала.

Для достижения поставленного технического результата предложен сплав на основе никеля, используемый для сварки жаропрочных никелевых сплавов, упрочняемых химико-термической обработкой, в качестве присадочного материала, содержащий углерод, хром, молибден, вольфрам, кобальт, титан, марганец, кремний, магний. Сплав дополнительно содержит тантал и/или ниобий, а также неодим, и/или празеодим, и/или диспрозий при следующем соотношении компонентов, мас. %:

углерод 0,05-0,1 хром 22,0-24,0 молибден 5,0-7,0 вольфрам 5,0-7,7 кобальт 13,0-16,0 тантал и/или ниобий 3,0-4,0 титан 1,8-2,0 марганец 0,1-0,5 кремний 0,1-0,3 магний 0,01-0,05 неодим, и/или празеодим, и/или диспрозий 0,03-0,06 никель остальное

По результатам проведенных исследований авторами установлено следующее.

Хром является важным элементом в жаропрочных никелевых сплавах, упрочняющим твердый раствор, заявленное содержание повышает механические и эксплуатационные свойства, но одной из главных его функций является защита сплавов от газовой коррозии.

Вольфрам, один из наиболее эффективных упрочнителей твердого раствора жаропрочных сплавов, имея большой атомный радиус, тормозит движение дислокаций и вакансий при высоких температурах, заявленное содержание способствует снижению деформационной способности сплавов, оказывает положительное влияние на прочностные характеристики жаропрочных никелевых сплавов.

Молибден упрочняет твердый раствор, заявленное содержание повышает жаропрочность никелевых сплавов, а также способствует подавлению образования вторичных границ и повышает стойкость против образования горячих трещин.

Тантал, имея атомный радиус, близкий по размеру к атомному радиусу вольфрама, также тормозит движение дислокаций и вакансий и способствует снижению деформационной способности сплавов, оказывает положительное влияние на прочностные характеристики жаропрочных никелевых сплавов.

Заявленное содержание количества данного элемента в присадочном материале приводит к одновременному повышению как прочностных характеристик, так и термической стабильности фаз с замедлением диффузионных процессов по границам зерен.

Заявленное содержание ниобия заметно упрочняет твердый раствор, замедляет диффузионные процессы, благоприятно влияет на уменьшение зональной ликвации, в результате возрастают стабильность и жаропрочность сплавов. Наряду с титаном может образовывать устойчивые нитриды при химико-термической обработке, повышая жаропрочность сплавов.

Заявленное содержание кобальта повышает жаропрочность никелевых сплавов в области температур свыше 1000°С, а также приводит к заметному увеличению пластических свойств.

В металлургии жаропрочных никелевых сплавов известна положительная роль легирования РЗМ, заключающаяся в повышении когезивной прочности границ зерен и фаз, в раскислении и модифицировании расплавов. Широко известно положительное влияние РЗМ на механические, технологические и служебные свойства металлов. Введение РЗМ оказывает положительное воздействие на формирование сварного шва. Растущие в направлении отвода тепла дендриты с близкой кристаллографической ориентацией образуют крупные кристаллиты, часто смыкающиеся по продольной оси шва, что способствует разрушению по этой зоне. РЗМ образуют неметаллические включения на некотором расстоянии от растущих столбчатых кристаллов, которые могут являться дополнительными центрами кристаллизации. Чем больше таких частиц, тем меньше зона столбчатых кристаллов и меньше их размеры, и больше зона равноосных зерен в центре сварного шва. Легирование сварочной проволоки для сварки высокожаропрочных сплавов редкоземельными элементами является весьма актуальным.

Кроме вышеуказанного воздействия РЗМ заявленное содержание неодима вводится для повышения окалиностойкости, свойства, необходимого для материала, работающего при высоких температурах, заявленное содержание празеодима - для улучшения технологичности при обработке давлением, что очень важно при изготовлении сварочной проволоки волочением. Атомный радиус диспрозия значительно больше, чем у лантана, который входит в состав известного сплава. Заявленное содержание диспрозия эффективно тормозит диффузионные процессы в металле. Поэтому неодим, диспрозий и празеодим являются весьма полезными элементами в жаропрочных сплавах.

Отклонение содержания элементов в присадочном материале от заявленного содержания приводит к снижению технологических и механических характеристик сварных соединений сплавов, упрочняемых химико-термической обработкой (азотирование), предназначенного для изготовления деталей и узлов наиболее высокотемпературных зон горячего тракта перспективных двигателей, длительно работающих при температурах до 1200°С.

Примеры осуществления

В лабораторных условиях были выплавлены три вакуумные индукционные плавки предлагаемого сплава (присадочного материала) и одна плавка сплава-прототипа. Заливку металла плавок проводили в круглые металлические изложницы. Полученные слитки ковали на сутунки, которые затем прокатывали в горячую на листы толщиной 2 мм, отжигали, а затем вхолодную прокатывали на листы толщиной 1,2 мм.

Поскольку на холоднокатаных листах из предлагаемого сплава отсутствуют трещины и иные нарушения целостности материала, а состояние их поверхности отвечает всему комплексу требований, предъявляемых к холоднокатаному листу из жаропрочных сплавов на никелевой основе, закономерно заключение о его хорошей деформируемости.

Из листов нарезали «лапшу», которую использовали в качестве присадочного металла при ручной аргонодуговой сварке жаропрочных никелевых сплавов. Испытания технологической прочности, склонности к образованию горячих трещин при сварке проводили в отожженном состоянии. Сварные соединения для механических испытаний подвергали химико-термической обработке (азотированию), затем из них изготавливали образцы.

Химические составы присадочных материалов и результаты испытаний свойств представлены в таблице 1. Данные свидетельствуют о том, что предлагаемый сплав имеет лучший, чем у прототипа технологический показатель свариваемости (Vкp) до 20%. Позволит повысить механические характеристики сварных соединений по сравнению с прототипом: кратковременную прочность сварных соединений при температуре 1200°С на 10%, жаропрочность на 20%, ударную вязкость при +20°С на 30%.

Таким образом, применение предлагаемого присадочного материала для сварки сплавов, упрочняемых химико-термической обработкой (азотированием), позволит снизить вес изделий за счет повышения прочности, а также увеличить их ресурс, температуру эксплуатации, повысить технологическую прочность и надежность наиболее высокотемпературных сварных конструкций горячего тракта двигателя (экраны, жаровые трубы и другие элементы камер сгорания).

Похожие патенты RU2602570C1

название год авторы номер документа
Жаропрочный свариваемый сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него 2021
  • Каблов Евгений Николаевич
  • Мазалов Иван Сергеевич
  • Ломберг Борис Самуилович
  • Расторгуева Ольга Игоревна
  • Ахмедзянов Максим Вадимович
RU2777099C1
ПРИСАДОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ 2008
  • Лукин Владимир Иванович
  • Старова Лидия Леонидовна
  • Ковальчук Вера Георгиевна
  • Голев Евгений Викторович
  • Латышев Владимир Борисович
RU2373038C1
Гранулируемый свариваемый жаропрочный никелевый сплав и изделие, выполненное из него 2023
  • Мазалов Иван Сергеевич
  • Расторгуева Ольга Игоревна
  • Ахмедзянов Максим Вадимович
  • Кошелев Артём Викторович
RU2824504C1
ПРИСАДОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ 2005
  • Лукин Владимир Иванович
  • Старова Лидия Леонидовна
  • Ковальчук Вера Георгиевна
  • Голев Евгений Викторович
  • Латышев Владимир Борисович
RU2304499C1
ЖАРОПРОЧНЫЙ СВАРИВАЕМЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ КОБАЛЬТА И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО 2015
  • Каблов Евгений Николаевич
  • Ахмедзянов Максим Вадимович
  • Овсепян Сергей Вячеславович
  • Мазалов Иван Сергеевич
  • Ломберг Борис Самуилович
  • Расторгуева Ольга Игоревна
  • Князев Денис Михайлович
RU2601720C1
ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ 2016
RU2617272C1
ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ КОТЛОВ И ПАРОВЫХ ТУРБИН, РАБОТАЮЩИХ ПРИ УЛЬТРАСВЕРХКРИТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРАХ ПАРА 2017
  • Скоробогатых Владимир Николаевич
  • Лубенец Владимир Платонович
  • Козлов Павел Александрович
  • Логашов Сергей Юрьевич
  • Яковлев Евгений Игоревич
RU2637844C1
СОСТАВ ЖАРОПРОЧНОГО НИКЕЛЕВОГО СПЛАВА ДЛЯ МОНОКРИСТАЛЬНОГО ЛИТЬЯ (ВАРИАНТЫ) 2007
  • Елисеев Юрий Сергеевич
  • Поклад Валерий Александрович
  • Оспенникова Ольга Геннадиевна
  • Ларионов Валентин Николаевич
  • Логунов Александр Вячеславович
  • Разумовский Игорь Михайлович
RU2348725C2
Литейный жаропрочный никелевый сплав с монокристальной структурой 2021
  • Данилов Денис Викторович
  • Зубарев Геннадий Иванович
  • Кузьмин Максим Владимирович
  • Лещенко Игорь Алексеевич
  • Логунов Александр Вячеславович
  • Марчуков Евгений Ювенальевич
RU2768946C1
ЛИТЕЙНЫЙ ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ 1994
  • Копылов А.Г.
  • Дубровский В.А.
  • Батуев В.Н.
RU2081930C1

Реферат патента 2016 года ПРИСАДОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ

Изобретение относится к сплавам на основе никеля в качестве присадочного материала, предназначенного для изготовления деталей и узлов наиболее высокотемпературных зон горячего тракта перспективных двигателей, длительно работающих при температурах до 1200°С. Присадочный материал на основе никеля для сварки жаропрочных никелевых сплавов, упрочняемых химико-термической обработкой, содержит, мас. %: углерод 0,05-0,1; хром 22-24; молибден 5,0-7,0; вольфрам 5,0-7,7; кобальт 13,0-16,0; тантал и/или ниобий 3,0-4,0; титан 1,8-2,0; марганец 0,1-0,5; кремний 0,1-0,3; магний 0,01-0,05; неодим, и/или празеодим, и/или диспрозий 0,03-0,06; никель - остальное. Повышается стойкость против образования горячих трещин при сварке жаропрочных никелевых сплавов, а также повышается ударная вязкость и жаропрочность после упрочняющей химико-термической обработки. 2 н.п. ф-лы, 1 табл., 1 пр.

Формула изобретения RU 2 602 570 C1

1. Сплав на основе никеля, используемый для сварки жаропрочных никелевых сплавов, упрочняемых химико-термической обработкой, в качестве присадочного материала, содержащий углерод, хром, молибден, вольфрам, кобальт, титан, марганец, кремний, магний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит тантал и/или ниобий, а также неодим, и/или празеодим, и/или диспрозий при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Углерод 0,05-0,1 Хром 22-24 Молибден 5,0-7,0 Вольфрам 5,0-7,7 Кобальт 13,0-16,0 Тантал и/или ниобий 3,0-4,0 Титан 1,8-2,0 Марганец 0,1-0,5 Кремний 0,1-0,3 Магний 0,01-0,05 Неодим, и/или празеодим, и/или диспрозий 0,03-0,06 Никель остальное

2. Изделие из сплава на основе никеля, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п. 1.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2016 года RU2602570C1

ПРИСАДОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ 2008
  • Лукин Владимир Иванович
  • Старова Лидия Леонидовна
  • Ковальчук Вера Георгиевна
  • Голев Евгений Викторович
  • Латышев Владимир Борисович
RU2373038C1
Состав сварочной проволоки 1986
  • Ющенко Константин Андреевич
  • Пинчук Нина Ивановна
  • Даниляк Александр Григорьевич
  • Ровенский Изидор Леонтьевич
  • Котов Владимир Федорович
  • Рязанцев Николай Карпович
  • Шварц Владимир Исаакович
  • Махнева Галина Александровна
  • Пакулева Варвара Сильвестровна
  • Сергеев Анатолий Борисович
  • Майоров Александр Орестович
SU1425012A1
Состав стали сварочной проволоки для сварки жаропрочных и жаростойких сталей и сплавов 1982
  • Пинчук Нина Ивановна
  • Ющенко Константин Андреевич
  • Наконечный Александр Алексеевич
  • Захаров Леонид Степанович
  • Клюев Михаил Маркович
  • Гутнов Русланбег Батербекович
  • Кудрявцев Валентин Семенович
  • Мартьянов Владимир Васильевич
SU1168372A1
US 4415530 A1, 15.11.1983
US 4639576 А1, 27.01.1987..

RU 2 602 570 C1

Авторы

Каблов Евгений Николаевич

Лукин Владимир Иванович

Ковальчук Вера Георгиевна

Голев Евгений Викторович

Ходакова Елизавета Александровна

Даты

2016-11-20Публикация

2015-05-20Подача