Износо-коррозионностойкий сплав на медно-никелевой основе Российский патент 2024 года по МПК C22C9/06 C22C19/00 C22C30/02 

Изобретение относится к области создания прецизионных износо-коррозионностойких сплавов на медно-никелевой основе.

Известны сплавы на медно-никелевой основе (а.с. №430176; №443087; патенты РФ №2303641; №2453621; №2553799).

В качестве прототипа выбран сплав по патенту №2553799, имеющий состав (масс. %):

никель 33,0-56,0;

цирконий 3,0-5,0;

хром 5,0-9,0;

гафний 3,0-8,0;

церий 0,2-2,0;

лантан 0,5-1,5;

иттрий 1,5-3,0;

нитрид бора 0,6-1,2;

медь - остальное.

Основным недостатком известных сплавов, в том числе и сплава-прототипа, является их низкая стойкость к износу при длительной эксплуатации покрытий на их основе (60±5 мкм/км), а также низкая коррозионная стойкость к сероводородному воздействию, которое испытывает защитное покрытие при соприкосновении с продуктами нефтепереработки (не выше 0,005 мм/год).

Техническим результатом настоящего изобретения является создание износо-коррозионностойкого сплава на медно-никелевой основе с повышенными характеристиками износостойкости (не более 1,2x10⁹ мм/км) в функциональных покрытиях при длительной (более 6000 часов) эксплуатации, коррозионной стойкости при воздействии сероводорода 0,001-0,003 мм/год и адгезионной прочности (не менее 60 МПа) и микротвердости (не менее 25 ГПа).

Технический результат изобретения достигается тем, что сплав на медно-никелевой основе, содержащий цирконий, который обеспечивает устойчивость процесса напыления, редкоземельные элементы (церий, лантан, иттрий), которые обеспечивают комплексную модификацию сплава за счет наибольшего сродства к кислороду, водороду и азоту соответственно, введение циркония существенно улучшает адгезионную прочность, дополнительно легируется ниобием, который обеспечивает требуемую микротвердость и соответственно износостойкость покрытия, и композицией титан - нитрид титана, которая обеспечивает необходимую пластичность и коррозионную стойкость покрытия.

Оптимальный состав сплава имеет следующее значение (масс. %):

никель 33,0-56,0;

цирконий 2,0-6,0;

ниобий 5,0-8,0;

титан 6,0-9,0;

церий 0,1-0,8;

лантан 0,3-1,0;

иттрий 0,8-1,4;

нитрид титана 8,0-12,0;

медь - остальное.

Экспериментально установлено, что двойной сплав меди с никелем (33,0-56,0) масс. % позволяет получать функциональные покрытия с относительно высокой коррозионной стойкостью (0,005-0,01 мм/год). При меньших, чем 33,0 масс. % и больших, чем 56 масс. %, коррозионная стойкость существенно падает.

Введение в сплав циркония существенно улучшает смачивание сплавом металлических подложек, обеспечивая получение покрытий с высокой адгезионной прочностью (не менее 60 МПа). Легирование сплава 2,0-6,0 масс. % циркония обеспечивает получение методами сверхзвукового холодного газодинамического и микроплазменного напыления качественных покрытий. При меньших, чем 2,0 масс. % Zr, этого эффекта не наблюдается, при больших, чем 6,0 масс. %, в покрытиях образуются трещины и сколы.

Для получения мелкозернистой структуры, которая обеспечивает длительную эксплуатацию покрытий, в сплав вводится ниобий. Требуемый эффект достигается при введении более 5 масс. % ниобия. При введении свыше 8 масс. % ниобия появляются трещины, что приводит к разрушению покрытия.

Однако при оптимальных толщинах покрытий 40-60 мкм в тройном сплаве системы Cu-Ni-Zr наблюдается большой разброс по толщине (до 25%) и низкий диапазон рабочих температур. Это является следствием наличия газовых включений - кислорода, водорода и азота. Наиболее эффективными модификаторами являются малые добавки редкоземельных элементов -церия, лантана и иттрия. Экспериментально установлено, что требуемая очистка сплава от кислорода, водорода и азота является комплексное легирование сплава церием (0,1-0,8 масс. %), лантаном (0,3-1,0 масс. %) и иттрием (0,8-1,4 масс. %), имеющими наибольшее сродство к указанным газам соответственно. При меньших количествах этих редкоземельных элементов требуемой модификации не наблюдается; при больших -образуются самостоятельные фазы РЗМ, нежелательные с точки зрения механической прочности покрытия.

Оптимальное сочетание требуемой длительной износостойкости и стойкости к сероводородному растрескиванию достигается при комплексном введении в сплав титана 6,0-9,0 масс. % и нитрида титана 8,0-12,0 масс. %. При подготовке композиции титан - нитрид титана для легирования сплава, нитрид титана вводится в виде наноразмерных частиц размером 50-80 нм. Данный дисперсный состав порошка нитрида титана необходим для обеспечения высокого уровня пластичности и коррозионной стойкости покрытия. При этом требуемый эффект достигается только при введении более 6,0 масс. % титана и 8,0 масс. % нитрид титана. При больших значениях, чем 9,0 масс. % Ti и 12,0 масс. % TiN наблюдается растрескивание полученного покрытия.

Экспериментальные исследования выполнены на оборудовании Центра коллективного пользования (ЦКП) научным оборудованием "Состав, структура и свойства конструкционных и функциональных материалов" НИЦ "Курчатовский институт" - ЦНИИ КМ "Прометей" при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования - соглашение №13.ЦКП.21.0014(075-11-2021-068). Уникальный идентификатор: RF-2296.61321X0014.

Далее приводятся конкретные примеры разработанных сплавов.

Пример 1.

Выплавку сплава осуществляют в высокочастотной печи типа УИР-16-10-0,003 в алундовых тиглях. Вес слитка составлял 2,5 кг. Загрузка шихтовых компонентов осуществлялась в следующей последовательности: (Cu-Ni)→Zu→Nb→(Ce-La-Y)→(Ti-TiN). При подготовке композиции титан -нитрид титана для легирования сплава, нитрид титана вводится в виде наноразмерных частиц размером 50-80 нм. Состав сплава следующий (масс. %):

никель 33,0;

цирконий 2,0;

ниобий 5,0;

титан 6,0;

церий 0,1;

лантан 0,3;

иттрий 0,8;

нитрид титана 8,0;

медь - остальное.

После получения слитка производится его дробление для получения порошка на аттриторной установке типа ИВЧ-3 по компьютерной программе. Фракция порошка составила 53-70 мкм. Полученный порошок использовали для получения функциональных покрытий (на ленте из сплава Х20Н80) - с методом микроплазменного напыления на установке УГНП-2/2270 с использованием роботизированного комплекса Kawasaki FS003. У полученного покрытия толщиной 160-200 мкм были измерены основные эксплуатационные характеристики (табл. 1).

Пример 2.

Выплавка сплава осуществлялась, как и в первом примере.

Состав сплава следующий (масс. %):

никель - 56,0;

цирконий - 6,0;

ниобий - 8,0;

титан - 9,0;

церий - 0,8;

лантан - 1,0;

иттрий - 1,4;

нитрид титана - 12,0;

медь - остальное.

Выплавка осуществлялась на том же оборудовании и по той же технологии, что и в примере 1. По той же технологии получены порошки для нанесения функциональных покрытий. Нанесение покрытий производилось с использованием метода сверхзвукового холодного газодинамического напыления на установке типа Димет-3М с использованием роботизированного комплекса Kawasaki FS003. Полученное покрытие составляло 140-180 мкм. Скорость нанесения составляла 2 Маха. Напыление производили на ленточную подложку из стали ЗХ2 В8. Характеристики покрытия представлены в таблице 2.

Полученное покрытие было опробовано для защиты от износа и сероводородной коррозии в элементах систем трубопроводов нефтегазоперекачивающего оборудования и дало положительные результаты при длительной (более 6000 часов) эксплуатации.

Изобретение относится к металлургии, а именно к прецизионным сплавам для получения функциональных покрытий с высокой износостойкостью при длительных условиях эксплуатации и коррозионной стойкостью при сероводородном воздействии. Сплав содержит, мас.%: никель 33,0-56,0, цирконий 2,0-6,0, ниобий 5,0-8,0, титан 6,0-9,0, церий 0,1-0,8, лантан 0,3-1,0, иттрий 0,8-1,4, нитрид титана 8,0-12,0, медь - остальное. Сплав имеет высокие характеристики износостойкости (не более 1,2×10⁹ мм/км) в функциональных покрытиях при эксплуатации более 6000 часов, коррозионной стойкости при воздействии сероводорода 0,001-0,003 мм/год, адгезионной прочности не менее 60 МПа и микротвердости не менее 25 ГПа. 2 табл., 2 пр.

1. Сплав на медно-никелевой основе, содержащий цирконий, церий, лантан, иттрий, отличающийся тем, что он дополнительно легирован ниобием, титаном и нитридом титана при следующем соотношении компонентов, мас.%:

никель 33,0-56,0;

цирконий 2,0-6,0;

ниобий 5,0-8,0;

титан 6,0-9,0;

церий 0,1-0,8;

лантан 0,3-1,0;

иттрий 0,8-1,4;

нитрид титана 8,0-12,0;

медь - остальное.

2. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что он содержит нитрид титана в виде наноразмерных частиц фракции 50-80 нм.