Наплавочный сплав для работы в условиях термосилового воздействия при повышенных до 1200 °С температурах

*119843*

Ю. Н. Дубцов, к.т.н. И. В. Зорин, д.т.н. Г. Н. Соколов,

д.т.н. В. И. Лысак, М. В. Клименко, Р. Х. Реимов

Волгоградский государственный технический университет, Россия

Наплавочный сплав для работы в условиях

термосилового воздействия при повышенных

до 1200 °С температурах

Современные жаропрочные до 1200 °С сплавы на основе γ'-Ni₃Al серии ВКНА (ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ), содержат большое количество тяжелых и дорогостоящих легирующих элементов, что приводит к росту удельной массы и стоимости изготавливаемых из них деталей газотурбинных двигателей и другой техники специального назначения. Дальнейшее повышение эксплуатационных характеристик таких изделий осуществляется в настоящее время путем формирования в литейных γ'-сплавах наноструктур стабилизированных наночастицами соединений тугоплавких и редкоземельных металлов [1]. Возможность изготовления и ремонта изделий из таких сплавов с использованием процессов сварки и наплавки связана с созданием новых материалов, обладающих повышенными свойствами при температурах до 1200 ^оС и небольшой относительной массой (менее 7,85 г/см³). Одним из путей получения таких жаропрочных материалов с интерметаллидной основой является модифицирование их структуры небольшим количеством нанодисперсных частиц тугоплавких химических соединений, имеющих превосходную термическую стабильность в условиях дуговой и электрошлаковой сварки и наплавки [2].

По данным открытых для специалистов литературных источников за рубежом, производство материалов для сварки сплавов на основе Ni₃Al в промышленности не освоено, та же ситуация складывается в отечественной промышленности.

Целью настоящей работы является исследование свойств наплавленного алюминида никеля Ni₃Al методом склерометрических испытаний в диапазоне температур 1050-1250 °С.

Для наплавки были разработаны составы композиционных проволок на основе не легированного алюминида (13,0-13,5 (масс. %) Al; Ni – остальное) и легированного (масс. %) (0,2-0,4 C; 3,0-3,2 W; 2,5-3,0 Mo; 1,8-2,0 Zr; 4,1-4,4 Cr; 1,8-2,0 Ta;10,5-11,2 Al; Ni – остальное), содержащие нанодисперсный WC (до 0,4 % масс.) и без него.

Испытания, моделирующие изнашивание металла в условиях термосилового воздействия проводили с использованием разработанного в ВолгГТУ склерометра (рис. 2, а) на экспериментальных образцах, изготовленных из наплавленного металла. Склерометрирование поверхности нагретых проходящим током образцов производили в среде аргона индентором Роквелла (радиус сферической поверхности 200 мкм), что при нагрузке на индентор 0,5 Н и скорости его перемещения в 3 мм/с способствовало формированию треков в режиме пластической деформации металла без эффекта его резания [3].

Топографию треков на поверхности образцов получали в режиме полуконтактной атомно-силовой микроскопии с использованием сканирующего зондового микроскопа Solver Pro, оснащенного программным комплексом Nova и модулем обработки изображений Image Analysis. Критерием износостойкости при постоянной нормальной нагрузке на индентор служил показатель k, обратно пропорциональный объему деформированного индентором металла (рис. 1) на участке трека длиной 10 мм.

II

I

Рис. 1. Изображение профиля поперечного сечения трека полученного при температуре испытания 1250 ^оС: I, II – наплавленный металл на основе Ni₃Al и Ni₃Al + WC_нано соответственно. Выделенные области соответствуют площадям (мм²) выдавленного индентером металла из треков.

Сравнительная оценка износостойкости сплавов на основе Ni₃Al при температуре испытаний 1050 °С позволяет прогнозировать повышенную износостойкость, как нелегированных, так и легированных алюминидов никеля дополнительно модифицированных нанодисперсными частицами WC (рис. 2, а). Двукратное превосходство по показателю k при температуре 1050 °С легированного алюминида разработанного состава, над промышленным аналогом жаропрочного сплава обусловлено упрочняющим действием многочисленных и равномерно расположенных дисперных γ'_вт фаз, вероятными центрами кристаллизации которых являются нанодисперсные частицы WC.

Результаты высокотемпературных (в интервале 1050-1250 °С) склерометрических испытаний легированных сплавов на основе Ni₃Al показывают (рис. 2, б), что металл, наплавленный с использованием композиционной проволоки, содержащей нанодисперсный WC (до 0,4 % масс.) имеет более высокий показатель сопротивления пластической деформации при температурах до 1250 °С по сравнению со сплавом не модифицированного алюминида никеля. Предотвращение разупрочнения γ'-Ni₃Al фазы при повышенной до 1250 °С температуре может быть связано с уменьшением диффузии из нее легирующих элементов в твердый раствор на основе никеля за счет блокирования дислокаций, образующихся на границе фаз в процессе превращения γ' -> γ.

Рис. 2. Сравнительная оценка износостойкости сплавов на основе Ni₃Al при температуре испытаний 1050 °С (а) и зависимость показателя износостойкости наплавленного металла k от температуры T испытаний (б): I, II – наплавленный металл на основе Ni₃Al и Ni₃Al + WC_нано соответственно; 3 – сплав, близкий по химическому составу к промышленному жаропрочному сплаву ВКНА-4У.

Вывод

Модифицирование наплавленного металла на основе алюминидов никеля нанодисперсным карбидом WC до 0,4 масс. % обеспечивает повышение его износостойкости в высокотемпературных (до 1200 °С) условиях эксплуатации.

Литература:

1. Особолегкие жаропрочные наноструктурированные сплавы на основе Ni₃Al для авиационного двигателестроения и энергетического машиностроения / К. Б. Поварова, В. П. Бунтушкин, Н. К. Казанская, А. А. Дроздов, О. А. Базылева // Вопросы материаловедения. – 2008. – № 2. – С. 85-93.

2. Влияние стабилизации структуры наноразмерными фазами на свойства жаропрочного наплавленного металла / Г.Н. Соколов, В.И. Лысак, И.В. Зорин // Физика и химия обработки материалов. – 2009. – № 4. – C. 83-88.

3. Диагностика износостойкости наплавленного металла методом склерометрии / Г.Н. Соколов, А.А. Артемьев, И.В. Зорин, В.И. Лысак, В.Б. Литвиненко-Арьков // Сварка и диагностика. – 2012. – № 2. – С. 34-39.