Способ получения жаропрочных сплавов на основе кобальта Российский патент 2024 года по МПК B22F3/23 C22C19/07 C22C1/57 

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения жаростойких сплавов на основе кобальта, которые могут быть использованы в области авиационного двигателестроения для получения защитных покрытий на бандажных полках лопаток газотурбинного двигателя (ГТД), а также для изготовления штампов для высокотемпературной штамповки изделий из металлов и их сплавов.

Известен способ получения многокомпонентного сплава на основе кобальта марки ХТН-61 путем плавления компонентов сплава: Со, Cr, Nb, W, Mo, Al, С в вакуумной индукционной печи. Способ имеет недостатки, среди которых можно выделить следующие: современные печи ВИП производят за рубежом, для работы которых необходимы большие энергозатраты. Сплавы имеют высокую себестоимость за счет использования дорогих высокочистых шихтовых компонентов и содержат большое содержание неметаллических включений, а также ликваций по химическому составу и структуре (ТУ 88.061.007-98).

Наиболее близким аналогом к заявляемому является способ получения жаропрочного сплава на основе кобальта, включающий приготовление реакционной смеси исходных компонентов, содержащей оксид кобальта (СоО), оксид хрома (Cr₂O₃), оксид ниобия (Nb₂O₅), оксид вольфрама (WO₃), оксид молибдена (MoO₃), алюминий (Al), углерод (С) и помещение реакционной смеси в тугоплавкую форму, размещение формы на центрифуге, воспламенение смеси и проведение синтеза в режиме горения при центробежном ускорении 30-50 g с последующим отделением литого сплава на основе кобальта от продукта синтеза, при этом исходную смесь готовят при следующем соотношении компонентов (масс. %): СоО - 35,0-45,0, Cr₂O₃ - 15,0-19,0, Nb₂O₅ - 13,0-16,0, WO₃ - 1,0-2,8, MoO₃ - 1,1-1,8, Al - 20,0-23,5, С -2,2-2,8 (RU 2270877 C1, С22С 19/07, B22F 3/23, 27.02.2006).

Недостатком этого способа является использование дорогостоящего Nb₂O₅ и дефицитного СоО.

Техническим результатом заявляемого изобретения является разработка основ высокопроизводительной одностадийной технологии с малыми энергозатратами и высоким выходом целевого продукта, которая позволяет получать новые жаропрочные сплавы на основе Со из доступного, более дешевого сырья.

Технический результат заявленного изобретения достигается тем, что способ получения жаропрочных сплавов на основе кобальта включает приготовление исходной реакционной смеси, помещение исходной реакционной смеси в тугоплавкую форму, размещение формы на центрифуге, воспламенение смеси и проведение синтеза в режиме горения при центробежном ускорении 100-200 g и последующее отделении литого сплава от шлака, при этом готовят исходную реакционную смесь при следующем соотношении компонентов (масс. %): Co₃O₄ - 33,1-35,1, Cr₂O₃ - 23,8-25,1, Ti - 16,9-17,6, WO₃ - 1,5-1,9, MoO₃ - 1,1-1,5, Al - 19,8-20,8, С - 0,8-1,0.

Сущность способа заключается в следующем. Готовят реакционную смесь компонентов следующего состава (масс. %): Co₃O₄ - 33,1-35,1, Cr₂O₃ - 23,8-25,1, Ti - 16,9-17,6, WO₃ - 1,5-1,9, МоO₃ - 1,1-1,5, Al - 19,8-20,8, С - 0,8-1,0, помещают ее в тугоплавкую форму, размещают форму на центрифуге, воспламеняют смесь и проводят синтезы в режиме горения при центробежном ускорении 100-200 g. Далее отделяют полученный литой сплав от шлака.

В способе используют высокоэкзотермические смеси Co₃O₄, Cr₂O₃, WO₃, MoO₃, С, Al, Ti, которые удовлетворяют следующим условиям:

1) смеси способны гореть;

2) целевыми продуктами горения смесей является жаростойкие сплавы Со, Со, Cr, W, Mo, Al, С, Ti

3) температура горения превышает температуру плавления жаростойкого сплава и шлаковой фазы (Al₂O₃).

При выполнении условий (1) - (3) реализуется процесс, включающий следующие стадии:

- воспламенение и горение исходной смеси,

- гравитационная сепарация расплавов Co/Cr/W/Mo/Al/C/Ti и шлакового продукта,

- охлаждение и кристаллизация расплавов.

Воздействие центробежной силы подавляет разброс смеси при горении и приводит к сепарации расплавов металлической и шлаковой фаз продуктов горения.

При величине перегрузки ниже 100 g процесс горения сопровождается высокой потерей целевого продукта. Перегрузка выше 200 g нецелесообразна, поскольку не приводит к увеличению выхода целевого продукта.

Вне заявленных пределов по составу реакционной смеси жаропрочный сплав имеет дефицит легирующих элементов с низкими характеристиками по жаропрочности и жаростойкости. Сущность способа подтверждается примерами.

Пример 1. Готовят реакционную смесь исходных компонентов при следующем соотношении (масс. %): Co₃O₄ - 34,6, Cr₂O₃ - 24,1, Ti - 17,1 WO₃ - 1,7, MoO₃ - 1,3, С - 0,9, Al - 20,3, помещают смесь в тугоплавкую форму, размещают форму в центрифуге, воспламеняют смесь и проводят синтез в режиме горения при центробежном ускорении, равном 150 g. После завершения процесса горения, продукт синтеза охлаждают и извлекают из реактора. Продукт горения представляет собой двухслойный слиток: верхний слой - оксидный раствор на основе корунда, нижний слой - (целевой продукт) представляет собой жаропрочный сплав. Выход целевого продукта (композиционного материала) составляет 85 масс. % от расчетной величины. Композиционный материал содержит в своем составе (масс. %): Со - 47,1, Cr - 25,9, Ti - 12,6, W - 4,5, Mo - 1,8, Al - 4,5, С - 1,8.

Таким образом, заявляемый способ позволяет получать литые жаропрочные сплавы на основе кобальта, которые имеют перспективу промышленного освоения в авиационном двигателестроении для изготовления лопаток и защитных покрытий на бандажных полках лопаток газотурбинных двигателей и газотурбинных установок, а также штампов для высокотемпературной штамповки. Способ обладает высокой производительностью, малым энергопотреблением и высоким выходом целевого продукта, а также позволяет использовать более доступное сырье. Способ экологически чист, т.к. в продуктах синтеза отсутствуют газообразные продукты, загрязняющие атмосферу.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способу получения жаростойких сплавов на основе кобальта. Может использоваться в области авиационного двигателестроения для получения защитных покрытий на бандажных полках лопаток газотурбинного двигателя (ГТД), а также для изготовления штампов для высокотемпературной штамповки изделий из металлов и их сплавов. Исходную реакционную смесь, содержащую, мас. %: Co₃O₄ 33,1-35,1, Cr₂O₃ 23,8-25,1, Ti 16,9-17,6, WO₃ 1,5-1,9, MoO₃ 1,1-1,5, Al 19,8-20,8, С 0,8-1,0, помещают в тугоплавкую форму. Форму размещают на центрифуге, воспламеняют смесь и проводят синтез в режиме горения при центробежном ускорении 100-200g с последующим отделением полученного сплава от шлака. Обеспечивается возможность получения сплава на основе кобальта в одну стадию с высокой производительностью и высоким выходом целевого продукта. 2 табл., 1 пр.

Способ получения жаропрочных сплавов на основе кобальта, включающий приготовление исходной реакционной смеси, помещение исходной реакционной смеси в тугоплавкую форму, размещение формы на центрифуге, воспламенение смеси и проведение синтеза в режиме горения при центробежном ускорении 100-200g и последующее отделение литого сплава от шлака, отличающийся тем, что готовят исходную реакционную смесь при следующем соотношении компонентов, мас.%: Co₃O₄ 33,1-35,1, Cr₂O₃ 23,8-25,1, Ti 16,9-17,6, WO₃ 1,5-1,9, MoO₃ 1,1-1,5, Al 19,8-20,8, С 0,8-1,0.