Результат интеллектуальной деятельности: СПЛАВ НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ НИКЕЛЬ-ХРОМ

Изобретение относится к разработке прецизионных сплавов на основе системы никель-хром, работающих в широком диапазоне температур и предназначенных для реализации микрометаллургических процессов получения функциональных покрытий на основе порошковых материалов (методом гетерофазного переноса) и литых микропроводов (методом высокоскоростной закалки из жидкой фазы) с высокой микротвердостью.

Микротвердость одна из основных физико-механических характеристик, определяющая срок службы изделий при внешних механических воздействиях. Базовая система никель-хром является весьма перспективной как с точки зрения матричного материала, так и с точки зрения достижения высокого уровня эксплуатационных свойств, в т.ч. для работы при повышенных температурах.

Известны сплавы этой системы для получения микропроводов методом высокоскоростной закалки из жидкой фазы, а также функциональных покрытий, составы которых приведены в таблице 1.

Наиболее близким по технической сущности является сплав, выбранный в качестве прототипа, содержащий компоненты в следующем соотношении, мас. %:

Cr - (0,6-14,0); Si - (4,0-6,0); Се - (0,05-0,2); La - (0,05-0,2); Y - (0,2-0,6); Ni - остальное (патент РФ №2351672, С22С 19/05, опубл. 10.04.2009 г.).

Однако, как показали соответствующие измерения, проведенные экспертами, микротвердость известных сплавов, в том числе и сплава-прототипа, не превышает 0,5 ГПа и существенно уменьшается при нагревании и охлаждении, что исключает их практическое применение в широком интервале работающих температур.

Техника сегодняшнего дня требует повышения микротвердости материалов, используемых для изготовления изделий, работающих в жестких условиях эксплуатации, до значений 2-3 ГПа, в том числе при воздействии высоких и низких температур.

Техническим результатом изобретения является разработка сплава, позволяющего получать порошковые композиции, функциональные покрытия, микропровода с более высокой микротвердостью не ниже 3,0 ГПа.

Технический результат достигается за счет того, что сплав системы никель-хром, содержащий лантан, церий, кремний, иттрий, в соответствии с изобретением дополнительно содержит рений, вольфрам, марганец и олово при следующих соотношениях компонентов, мас. %:

Cr 12,0-18,0; Mn 7,0-10,5; Sn 2,0-3,0; Si 1,0-1,5; W 0,8-2,5; Re 0,9-1,8; Се 0,2-0,6; La 0,1-0,5; Y 0,3-0,7; Ni остальное.

Двойная система Ni - основа и (12-18)% Cr является оптимальной пластичной матрицей для введения технологических добавок марганца и кремния.

Сплав системы никель-хром имеет высокое межфазное натяжение (до 22 Дж/м²), что не позволяет устойчиво получать порошки, функциональные покрытия методами гетерофазного переноса или литье микропроводов методами закалки из расплава.

Следует особо отметить специфику легирования предлагаемого сплава, реализуемого в настоящем изобретении. Сущность этой специфики заключается во введении двух лигатур в виде устойчивых интерметаллических соединений: Mn₂Si и Mn₂Sn. Их введение в шихту проводится раздельно, а в конечном составе сплава производится суммирование количества Мn, входящего в каждый из интерметаллидов.

Практика показывает, что наиболее эффективное снижение межфазного натяжения до требуемых значений - менее 1,0 Дж/м² (для получения качественного покрытия) обеспечивается за счет комплексного введения марганца и кремния в сумме 6-9% при соотношениях Mn:Si=5:1, что соответствует устойчивому соединению Mn₂Si при соответствующих содержаниях Mn - (5,0-7,5)% и Si - (1,0-1,5)%. Микротвердость этого сплава низкая и не превышает 0,4 ГПа.

В четырехкомпонентный сплав на основе Ni и Cr - (12,0-18,0)%; Mn - (5,0-7,5)%; Si - (1,0-1,5)% для сохранения интервала температурной стабильности в области положительных температур (до 400°C) и отрицательных температур (до -196°C) дополнительно вводится вольфрам в количестве 0,8-2,5%.

При меньшем чем 0,8% содержании вольфрама требуемого эффекта не наблюдается, при содержании вольфрама более 2,5% температура плавления сплава нежелательно скачкообразно возрастает на 120-160°C, что затрудняет реализацию жидкофазных процессов при получении покрытий и литье микропроводов.

Для стабилизации процесса получения покрытий необходимо, чтобы температура ликвидуса составляла не более 1400-1500°C. Сплав, указанный в прототипе, имеет температуру ликвидуса порядка 1600°C. Для понижения температуры ликвидуса и обеспечения качественного получения функциональных покрытий и литья микропроводов необходимо в сплав дополнительно ввести интерметаллид Mr₂Sn, который, во-первых, понижает температуру ликвидуса до требуемых температур и, во-вторых, будучи когерентно связан с матрицей сплава, обеспечивает повышение технологического процесса напыления и литья микропроводов. Оптимальное количество интерметаллида, как показали эксперименты, должно быть 4,0-6,0%. При меньшем чем 4% количестве интерметаллида требуемого эффекта понижения температуры ликвидуса не наблюдается. При большем чем 6% количестве интерметаллида имеет место охрупчивание сплава. Введение интерметаллида Mn₂Sn в указанных количествах соответствует дополнительному содержанию в сплаве 2,0-3,0 мас.% Mn и 2,0-3,0 мас.% Sn.

Обеспечивая высокие технологические свойства при получении покрытий методом гетерофазного переноса и литье микропроводов методом высокоскоростной закалки из жидкой фазы, сплав системы: основа Ni; (12,0-18,0)Cr; (7,0-10,5)Mn; (1,0-1,5)Si; (0,8-2,5)W; (2,0-3,0%)Sn не обеспечивает требуемой микротвердости. Для повышения микротвердости, как показала практика, необходимо дополнительно ввести упрочняющий компонент. Оптимальным является введение рения в количестве (0,9-1,8)%. Эффект упрочнения наблюдается с 0,9% Re, при этом микротвердость достигает 3,0 ГПа. При 1,8% Re микротвердость возрастает до 4,6 ГПа, но при содержании рения более 1,8% наблюдается образование трещин в функциональных покрытиях и обрывы при литье микропроводов.

Прецизионность любого микрометаллургического процесса эффективно обеспечивается за счет комплексного введения эффективных модификаторов в виде малых добавок редкоземельных элементов, имеющих наибольшее сродство к кислороду, водороду и азоту - соответственно церия, лантана и иттрия.

Введение указанных добавок очищает сплав от неметаллических включений и обеспечивает устойчивость протекания процессов нанесения функциональных покрытий и литья микропроводов. Это возможно, если при комплексном введении указанных редкоземельных элементов (РЗЭ) в количестве, не превышающем в сумме 1,8%. Экспериментально установлено, что поэлементное содержание церия должно быть (0,2-0,6)%, лантана (0,1-0,5)%, иттрия (0,3-0,7)%, при большем количестве каждого из указанных РЗЭ и их суммарном содержании более 1,8% образуются фазы, негативно влияющие на стабильность протекания микрометаллургических процессов.

Таким образом, оптимальный состав предлагаемого сплава, мас. %:

Cr 12,0-18,0; Mn 7,0-10,5; Sn 2,0-3,0; Si 1,0-1,5; W 0,8-2,5; Re 0,9-1,8; Се 0,2-0,6; La 0,1-0,5; Y 0,3-0,7; Ni остальное.

Из сплава указанных составов получены функциональные покрытия и литые микропровода.

Пример 1

Выплавка сплава осуществляется с помощью высококачественной установки типа УИП16-10-003 в алундовых тиглях N4. Последовательность введения компонентов следующая: Ni→Cr→(Mn₂Si)→>(Mr₂Sn)→W→Re→(Ce-La-Y). Состав сплава, мас. %:

Cr - 12,0; Mn - 7,0; Sn - 2,0; Si - 1,0; W - 0,8; Re - 0,9; Се - 0,2; La - 0,1; Y - 0,3; Ni - остальное.

После получения слитка производилось его дробление до фракции 5-7 мм с помощью щековой дробилки типа ДЩ-4. Из полученных гранул на установке типа ELIRI по типовой технологии литья с боросиликатным стеклом типа ТУ (термоустойчивый) получены микропровода диаметром 40±3 мкм и длиной более 3000 м (против 500 м по прототипу). Микротвердость жилы микропровода, измеренная на установке типа Nanoscan, составила: 4,2 ГПа - при комнатной температуре; 3,6 ГПа - при температуре -196°C и 4,0 ГПа - при температуре +400°C.

После получения слитка, для изготовления порошкового материала, производилось дробление слитка до фракции 40-60 мкм на дезинтеграторе типа Дези-15 при скоростях вращения роторов 12000 об/мин.

Из полученного порошка с помощью метода сверхзвукового холодного газодинамического напыления на установке типа ДИМЕТ-3 на подложку ленты из стали Х15Ю5 ГОСТ 12766.1-90 шириной 100 мм и толщиной 0,3 мм было нанесено функциональное покрытие толщиной 100±10 мкм.

Микротвердость покрытия, измеренная на установке типа Nanoscan, составляет 4,2 ГПа при комнатной температуре.

Пример 2

Выплавка сплава производилась так же, как в примере 1. Состав сплава, мас. %:

Cr - 18,0; Mn - 10,5; Sn - 3,0; Si - 1,5; W - 2,5; Re -1,8; Се - 0,6; La - 0,5; Y - 0,7; Ni - остальное.

После получения слитка производилось дробление слитка до фракции 40-60 мкм на дезинтеграторе типа Дези-15 при скоростях вращения роторов 12000 об/мин.

Из полученного порошка с помощью метода сверхзвукового холодного газодинамического напыления на установке типа ДИМЕТ-3 на подложку ленты из стали Х15Ю5 ГОСТ 12766.1-90 шириной 100 мм и толщиной 0,3 мм было нанесено функциональное покрытие толщиной 100±10 мкм.

Микротвердость покрытия, измеренная на установке типа Nanoscan, составляет 4,6 ГПа при комнатной температуре.

После получения слитка, для литья микропроводов, производилось его дробление до фракции 5-7 мм с помощью щековой дробилки типа ДЩ-4. Из полученных гранул на установке типа ELIRI по типовой технологии литья с боросиликатным стеклом типа ТУ получены микропровода диаметром 40±3 мкм и длиной более 3000 м. Микротвердость жилы микропровода, измеренная на установке типа Nanoscan, составила: 4,0 ГПа - при комнатной температуре; 3,3 ГПа - при температуре -196°C и 3,7 ГПа - при температуре +400°C.

Технико-экономическая эффективность от применения разработанного сплава по сравнению с прототипом выразится в повышении надежности работы изделия, в которой используются микропровода и функциональные покрытия.