ВЫСОКОПРОЧНАЯ ПОРОШКОВАЯ КОРРОЗИОННО-СТОЙКАЯ СТАЛЬ Российский патент 2021 года по МПК C22C38/52 C22C33/02 

Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к производству порошковой коррозионностойкой мартенситно-стареющей стали, обладающей высокими прочностными и пластическими характеристиками, для использования в технологиях аддитивного производства элементов газотурбинного двигателя (ГТД), в том числе лопаток и коллекторов, эксплуатирующихся при температурах от -70°С до +550°С.

Известна коррозионно-стойкая литейная аустенитная сталь (SU 981440 А1, С22С 38/50, опубл. 15.12.1982 г.), содержащая, масс. %:

углерод 0,25-0,35 кремний 0,10- 0,80 марганец 0,80-1,50 хром 18,00-20,00

никель 8,00-10,00

вольфрам 1,00-1,50 ниобий 0,20-0,50 молибден 1,00-1,50 титан 0,20-0,50 медь 0,10-0,30 алюминий 0,01-0,05 кальций 0,005-0,05 РЗМ 0,005-0,08 Железо остальное

Сталь обладает хорошими литейными свойствами и высокими пластичностью, вязкостью и коррозионной стойкостью. Недостатком стали является низкие прочностные характеристики.

Известна коррозионно-стойкая сталь мартенситного класса (RU 2307876 С2, С22С 38/44, опубл. 10.10.2007 г.), содержащая, масс. %:

углерод 0,005-0,04 кремний не более 0,50 марганец 0,10-3,00 хром 10,00-15,00

никель 4,00-8,00

молибден 2,80-5,00 алюминий 0,001-0,10 азот не более 0,07 фосфор не более 0,04 сера не более 0,01 железо и неизбежные примеси остальное

Сталь обладает высокими коррозионной стойкостью к газообразному диоксиду углерода и сопротивлением к коррозионному растрескиванию. Недостатком стали являются пониженные значения предела текучести (σ_0,2=910-1027 МПа).

Известна литейная сталь (ЕР 1001044 А2, С22С 37/08, опубл. 17.05.2000 г.), работоспособная при температуре эксплуатации 600°С. Сталь содержит следующее соотношение легирующих элементов, % масс.:

углерод 0,07-0,15 кремний 0,05-0,30 марганец 0,10-1,00 хром 8,00-10,00

никель 0,01-0,20

ванадий 0,10-0,30 вольфрам 1,00-2,50 ниобий и тантал 0,01-0,20 молибден 0,10-0,70 кобальт 0,10-5,00 азот 0,001-0,03 бор 0,002-0,01 железо и случайные примеси остальное

При указанных соотношениях углерода и хрома сталь имеет недостаточную коррозионную стойкость. Кроме того, данный материал обладает пониженными значениями предела текучести (620-670 МПа).

Известна ультрапрочная коррозионно-стойкая сталь (US 2010258217 А1, B01J 39/20, опубл. 14.0.2010 г.), упрочняемая нанокарбидными выделениями, содержащая, % масс.:

углерод 0,10-0,30 кремний не более 0,10 марганец не более 0,50 хром 6,00-12,00 никель 0,00-10,00 ниобий не более 0,30 кобальт 8,00-17,00 молибден не более 3,00 ванадий не более 0,80 медь не более 0,15 вольфрам не более 3,00 тантал не более 0,20 бор не более 0,005

железо остальное

Недостатком стали являются пониженные значения пластичности. Кроме того, наличие нанокарбидных включений в структуре стали снижают сопротивление к коррозионному растрескиванию.

Известна коррозионно-стойкая сталь аустенитно-мартенситного (переходного) класса для литых фасонных деталей, работающих до 400°С (Справочник «Авиационные материалы», т. 2), содержащая, % масс.:

углерод 0,10-0,16 хром 10,50-12,50

никель 4,50 - 6,50

молибден 4,00-5,00 марганец не более 0,60 кремний не более 0,60 сера не более 0,02 фосфор не более 0,02

железо остальное

Недостатком стали являются пониженные значения пластичности стали (поперечное сужение ψ~30%) и недостаточная коррозионная стойкость.

Известна коррозионно-стойкая мартенситно-стареющая литейная сталь, принятая авторами за прототип (RU 2169789 С2, С22С 38/52, опубл. 27.06.2001 г.), для изготовления силовых литых деталей энергетических установок, содержащая следующее соотношение компонентов, масс. %:

углерод 0,01-0,05 азот 0,01-0,08 хром 10,00-13,50

никель 4,50-6,00

молибден 4,00-5,00 марганец 0,20-0,90 кремний 0,20-0,75 кобальт 8,00-10,00 кальций 0,001-0,05 церий 0,001-0,05 ванадий 0,03-0,30

железо остальное

В сталь введены азот и ванадий для ускорения объемной кристаллизации за счет образования дополнительных центров кристаллизации - нитридов ванадия - и уменьшения ликвации легирующих элементов с целью обеспечения равномерных по сечению фасонных отливок механических свойств.

Расплавление металлической заготовки для получения порошка происходит в вакууме, при котором снижается усвоение азота в металле, и, таким образом, не достигается эффект увеличения скорости объемной кристаллизации.

Кроме того, сталь применяется до температуры 300°С и имеет большой разброс по механическим свойствам (предел прочности σ_в=1325-1570 МПа, предел текучести σ_0,2=1030-1275 МПа, относительное удлинение δ=10-20%, поперечное сужение ψ=35-70%).

Технической задачей и техническим результатом изобретения является создание коррозионностойкой порошковой стали для использования в технологиях аддитивного производства, обладающей пределом прочности не менее 1400 МПа, пределом текучести не менее 1170 МПа, относительным удлинением не менее 14%, поперечным сужением не менее 50%, и работоспособной до температуры 550°С.

Для достижения технического результата предложена высокопрочная коррозионно-стойкая мартенситно-стареющая сталь, содержащая хром, никель, молибден, кремний, кобальт, марганец, железо, отличается тем, что сталь дополнительно содержит ниобий, иттрий и лантан и неизбежные примеси углерод, серу и кислород при следующем соотношении компонентов, масс. %:

хром 12,50-13,50

никель 4,50-5,50

молибден 3,50-4,50 кобальт 8,50-9,50 марганец не более 0,30 кремний не более 0,10 ниобий 0,08-0,15

иттрий не более 0,02

лантан не более 0,02 углерод не более 0,02 сера не более 0,01 кислород не более 0,06

железо остальное

Сталь содержит небольшое количество кремния для увеличения вязко-пластичных свойств.

Дополнительное легирование стали ниобием позволяет повысить прочностные характеристики стали за счет старения при упрочняющей термообработке, а также повысить сопротивление к коррозионному растрескиванию за счет связывания углерода в карбиды ниобия, что позволяет использовать сталь при температурах до 550°С.

Введение хрома не менее 12,5% обеспечивает высокую коррозионную стойкость стали, содержание хрома выше 13,5% может приводить к появлению дельта-феррита, который снижает пластичность и вязкость стали.

При добавлении никеля меньше 4,5% не достигается требуемая пластичность стали, содержание никеля выше 5,5% увеличивает количество остаточного аустенита, снижающего прочностные свойства.

Содержание в стали до 0,3% марганца достаточно для уменьшения вредного влияния серы, количество марганца свыше 0,3% увеличивает содержание остаточного аустенита, обепечивая предел текучести не менее 1170 МПа.

Кобальт снижает растворимость молибдена в мартенсите и способствует при старении выделению упрочняющих фаз типа Fe₂Mo или (Fe, Ni, Со)₂Мо, Ni₃Mo. Указанное количество кобальта и молибдена помогает достичь требуемую прочность стали 1400 МПа.

Микролегирование редкоземельными элементами (РЗМ) Υ и La в указанном соотношении позволяет снизить содержание неметаллических включений и измельчает зерно.

Сталь сбалансирована по фазовому составу. Соотношение аустенито- и ферритообразующих элементов в литой стали должно определяться следующим равенством:

К_м=Cr+1,5 Ni+50 (С+Ν)+0,2 Со+0,7 (Mn+Si)=23-26;

К_ф=Cr+Mo+2 Si-(1,5 Ni+50 (С+Ν)+0,6 Co+0,7 Μn)=2-4.

К_м- эквивалент мартенситообразования, при этом содержание остаточного аустенита в литой стали колеблется от 5 до 10%.

К_ф - эквивалент ферритообразования, может содержаться от 0 до 3% дельта-феррита в литой стали.

Подобранное соотношение легирующих элементов (Км и Кф) позволяет получить после послойного лазерного сплавления и упрочняющей термообработки 4-6% остаточного аустенита и отсутствие дельта-феррита, в результате чего материал обладает высокими пластическими характеристиками и вязкостью.

В отличие от прототипа при выбранном соотношении легирующих элементов не требуется обработка холодом стали.

Сталь содержит не более 0,01% серы и не более 0,06% кислорода; повышенное количество указанных примесей снижают прочность и вязкость стали.

Примеры осуществления

В производственных условиях ФГУП «ВИАМ» проводили опробование предлагаемой стали.

Заготовку под распыление (атомизацию) выплавляли на вакуумно-индукционной установке (ВИУ) с контролем фазового состава по магнитной пробе в процессе выплавки.

В тигель, в соответствии с заявленным содержанием, загружали основные легирующие элементы: железо, никель, хром, молибден, ниобий, кобальт и расплавляли в вакууме при температуре 1550°С. После выдержки в течение 10 мин в расплавленный металл вводили ферросилиций. Далее добавляли марганец и лигатуры РЗМ (NiY, NiLa) небольшими гранулами с выдержкой между введением каждого в течение 2 мин. Процесс выплавки стали контролировался измерением магнитности литой пробы на приборе ИФСС (индикатор фазового состава стали), позволяющем определить фазовый состав стали (процентное соотношение аустенита и мартенсита). Металл разливали в трубу диаметром 90 мм.

Получение порошка предлагаемой стали проводили на установке (ато-майзере) HERMIGA10/100VI, имеющей основной рабочий диапазон частиц 10-100 мкм. Литую заготовку загружали в плавильную камеру и создавали вакуум. Мощность включали по достижении остаточного давления не более 5×10^-2 мбар, но не ранее, чем через 1 час после начала вакуумирования.

После расплавления металла плавильную камеру и камеру атомизации наполняли аргоном до избыточного давления 0,05 бар. После достижения рабочей температуры расплав выдерживали в течение 10 минут, за 3 мин до слива включали опробование атомизации и устанавливали рабочее давление на форсунке; за 30 с до слива подавали в плавильную камеру аргон до рабочего давления и приступали к сливу. После контроля формирования струи металла начинали атомизацию.

Порошок извлекали не ранее, чем через 4 часа после окончания процесса атомизации. Затем порошок подвергали аэродинамической классификации для удаления фракции 10 мкм. Размер основной фракции выбирали -63+10 мкм.

В таблице 1 представлен состав предлагаемой стали.

Печать заготовок под образцы проводилась на установке «ConceptLaserM2 Cusing» с рабочим пространством зоны построения 250 × 250 × 280 мм. Заготовки изготавливали простой квадратной в сечении формы с параллельной ориентацией слоев относительно оси симметрии заготовки.

Синтезированные заготовки подвергали горячему изостатическому прессованию с последующим отжигом.

После упрочняющей термической обработки (закалки и старения) изготавливали образцы для механических испытаний.

Механические свойства предлагаемой стали представлены в таблице 2.

Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к производству порошковой коррозионно-стойкой мартенситно-стареющей стали, используемой в технологиях аддитивного производства силовых элементов газотурбинных двигателей, эксплуатирующихся при температурах от минус 70 до плюс 550°С. Сталь содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: хром 12,50-13,50, никель 4,50-5,50, молибден 3,50-4,50, кобальт 8,50-9,50, марганец не более 0,30, кремний не более 0,10, ниобий 0,08-0,15, иттрий не более 0,02, лантан не более 0,02, углерод не более 0,02, сера не более 0,01, кислород не более 0,06, железо - остальное. Сталь обладает пределом прочности не менее 1400 МПа, пределом текучести не менее 1170 МПа, относительным удлинением не менее 14%, поперечным сужением не менее 50%. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Порошковая коррозионно-стойкая мартенситно-стареющая сталь, содержащая хром, никель, молибден, кобальт, углерод, марганец, кремний, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ниобий, иттрий, лантан, серу и кислород при следующем соотношении компонентов, мас.%:

хром 12,50-13,50 никель 4,50-5,50 молибден 3,50-4,50 кобальт 8,50-9,50 марганец не более 0,30 кремний не более 0,10 ниобий 0,08-0,15 иттрий не более 0,02 лантан не более 0,02 углерод не более 0,02 сера не более 0,01 кислород не более 0,06 железо остальное

2. Порошковая коррозионно-стойкая мартенситно-стареющая сталь по п. 1, отличающаяся тем, что коэффициент мартенситообразования составляет 23-26, а коэффициент ферритообразования составляет 2-4.