RU2164964C1 - Method of nitriding of high-temperature alloys based on nickel, iron-nickel, nickel-cobalt and cobalt - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy. SUBSTANCE: method includes blowing of parts made of high-temperature alloys based on nickel, iron-nickel, nickel-cobalt and cobalt with nitrogen, heating them to temperature of 1150-1250 C, subsequent holding at this temperature in nitrogen flow supplied at floe rate of 3-10 l/min, and cooling at rate of at least 50 C/min to temperature below which no formation of nitride phases takes place. Parts are blown with nitrogen at its flow rate of 10-20 l/min for 1-2 h. Holding in flow of nitrogen is effected for 10-100 h, and forced cooling is carried out in water or in the air. The invention increases level of characteristics of long-term strength and thermal stability (increased by a factor of 2.5-9) and working temperature of articles raises by 200 C. EFFECT: higher efficiency. 5 cl, 2 tbl

Description

Предлагаемое изобретение относится к области химико-термической обработки сплавов и может быть использовано для изготовления наиболее высокотемпературных деталей и узлов (в том числе сварных) горячего тракта газотурбинных авиационных двигателей, стационарных газотурбинных установок и других изделий народного хозяйства, работающих при температурах до 1300^oC.The present invention relates to the field of chemical-thermal treatment of alloys and can be used for the manufacture of the most high-temperature parts and assemblies (including welded) of the hot tract of gas turbine aircraft engines, stationary gas turbine plants and other products of the national economy operating at temperatures up to 1300 ^o C.

В настоящее время у нас в стране и за рубежом широко применяются способы химико-термической обработки, в частности азотирование и нитроцементирование сталей. С целью повышения эксплутационной стойкости стальные изделия подвергаются высокотемпературной выдержке в атмосфере азота или содержащего данный химический элемент газа (например, аммиак). (Заявка Японии N 62-192574, C 23 C 8/26; авт.св. СССР N 1217925, C 23 C 8/26, БИ N 10-86). Однако данные материалы, получая после азотирования высокие значения твердости и износостойкости, не обладают высокой жаропрочностью и не могут использоваться в качестве материалов горячего тракта ГТД. At present, methods of chemical-thermal treatment are widely used in our country and abroad, in particular, nitriding and nitrocarburizing of steels. In order to increase the operational stability, steel products are exposed to high temperature exposure in an atmosphere of nitrogen or a gas containing a given chemical element (for example, ammonia). (Application of Japan N 62-192574, C 23 C 8/26; ed. St. USSR N 1217925, C 23 C 8/26, BI N 10-86). However, these materials, receiving after nitriding high values of hardness and wear resistance, do not have high heat resistance and cannot be used as materials for the hot gas turbine engine.

Способ нитроцементации изделий из высоколегированных сталей, приведенный в авт.св. СССР N 1206334 (БИ N 3-86), заключается в нагреве до 950-1000^oC и выдержке в течение 5,9-6,1 ч в атмосфере природного газа и аммиака, последующей выдержке вначале в атмосфере полностью диссоциированного аммиака в течение 0,9-1,0 ч, затем в атмосфере природного газа и аммиака в течение 2,9-3,1 часа, подстуживании и выдержке в насыщающей среде. С целью повышения эксплутационной стойкости подстуживание осуществляется до 810-830^oC, а последующая выдержка проводится в течение 3,9-4,1 ч, при этом в качестве насыщающей среды используют природный газ. Недостатком этого способа является то, что стойкие к термическому воздействию нитридные фазы образуются только в поверхностных слоях изделий, не обеспечивая им высокой жаропрочности и термостойкости.The method of nitrocarburizing products from high alloy steels given in ed. USSR N 1206334 (BI N 3-86), consists in heating to 950-1000 ^o C and holding for 5.9-6.1 hours in an atmosphere of natural gas and ammonia, followed by first exposure in the atmosphere of completely dissociated ammonia for 0 , 9-1.0 hours, then in an atmosphere of natural gas and ammonia for 2.9-3.1 hours, stirring and holding in a saturating medium. In order to increase the operational stability, the undercoating is carried out to 810-830 ^o C, and subsequent exposure is carried out for 3.9-4.1 hours, while natural gas is used as a saturating medium. The disadvantage of this method is that resistant to thermal effects nitride phases are formed only in the surface layers of the products, not providing them with high heat resistance and heat resistance.

Технической задачей данного изобретения является повышение рабочей температуры азотируемого материала до 1300^oC, близкой к температуре плавления жаропрочных сплавов, повышение характеристик жаропрочности, термостойкости и выносливости. Для достижения указанной задачи предложен способ азотирования жаропрочных сплавов на никелевой, железоникелевой, никель-кобальтовой и кобальтовой основе, а также изделие из жаропрочных сплавов.The technical task of this invention is to increase the operating temperature of the nitrided material to 1300 ^o C, close to the melting temperature of heat-resistant alloys, increase the characteristics of heat resistance, heat resistance and endurance. To achieve this, a method is proposed for nitriding heat-resistant alloys based on nickel, iron-nickel, nickel-cobalt and cobalt-based, as well as a product from heat-resistant alloys.

Способ включает:
1) продувку деталей потоком азота со скоростью подачи 10-20 л в минуту в течение 1,0-2 ч;
2) нагрев деталей до температуры 1150-1250^oC;
3) выдержку деталей в потоке азота при температурах 1150-1250^oC в течение 10-100 ч при скорости подачи азота 3-10 л в минуту.The method includes:
1) purging parts with a stream of nitrogen with a feed rate of 10-20 l per minute for 1.0-2 hours;
2) heating parts to a temperature of 1150-1250 ^o C;
3) the exposure of parts in a stream of nitrogen at temperatures of 1150-1250 ^o C for 10-100 hours at a flow rate of nitrogen 3-10 l per minute.

4) охлаждение со скоростью не менее 50^oC/мин до температуры, ниже которой образования нитридных фаз не происходит.4) cooling at a rate of at least 50 ^o C / min to a temperature below which the formation of nitride phases does not occur.

Такой способ азотирования позволяет получить структуру, содержащую в качестве упрочняющей фазы нитриды легирующего элемента, обладающего наибольшей свободной энергией их образования, и избежать образования нежелательных нитридов других легирующих элементов жаропрочного сплава. Нитриды наиболее активного по отношению к азоту элемента распределены по телу зерен и их границам на глубину до 1-1,5 мм от поверхности. Such a nitriding method allows to obtain a structure containing nitrides of an alloying element having the highest free energy of their formation as a strengthening phase and to avoid the formation of undesirable nitrides of other alloying elements of a heat-resistant alloy. Nitrides of the element most active with respect to nitrogen are distributed over the body of grains and their boundaries to a depth of 1-1.5 mm from the surface.

Заявленное изделие из жаропрочных сплавов на никелевой, железоникелевой, никель-кобальтовой и кобальтовой основе получено вышеуказанным способом. The claimed product from heat-resistant alloys based on nickel, iron-nickel, nickel-cobalt and cobalt-based is obtained by the above method.

Способ поясняется табл. 1 и 2. The method is illustrated in table. 1 and 2.

Пример 1:
Лист толщиной 1,5 мм из сплава на никелевой основе содержащего 25 мас.% хрома, 10 мас. % кобальта, 12 мас.% вольфрама, 3 мас.% титана, 2 мас.% молибдена, 0,03 мас.% магния, подвергался продувке азотом со скоростью подачи 10 л в минуту в течение 1 ч, затем температура поднималась до 1150^oC и лист выдерживался 10 ч при скорости подачи азота 3 л в минуту и затем охлаждался со скоростью 50^oC/мин до температуры 700^oC. Механические свойства, полученные на указанном листе, представлены в табл. 2 (сплав 1).Example 1:
A sheet 1.5 mm thick from a nickel-based alloy containing 25 wt.% Chromium, 10 wt. % cobalt, 12 wt.% tungsten, 3 wt.% titanium, 2 wt.% molybdenum, 0.03 wt.% magnesium, was purged with nitrogen at a feed rate of 10 l per minute for 1 h, then the temperature rose to 1150 ^o C and the sheet was held for 10 hours at a flow rate of nitrogen of 3 L per minute and then cooled at a speed of 50 ^o C / min to a temperature of 700 ^o C. The mechanical properties obtained on this sheet are presented in table. 2 (alloy 1).

Пример 2:
Лист из сплава на кобальтовой основе подвергался продувке азотом со скоростью 15 л в минуту в течение 1,5 ч, затем температура поднималась до 1200^oC, и лист выдерживался 50 ч при скорости подачи азота 8 л в минуту и охлаждался со скоростью 70^oC/мин до температуры 800^oC. Механические свойства, полученные на указанном сплаве, представлены в табл. 2 (сплав 2).Example 2:
The cobalt-based alloy sheet was purged with nitrogen at a speed of 15 L per minute for 1.5 hours, then the temperature rose to 1200 ^° C, and the sheet was held for 50 hours at a nitrogen feed rate of 8 L per minute and cooled at a speed of 70 ^o C / min to a temperature of 800 ^o C. Mechanical properties obtained on the specified alloy are presented in table. 2 (alloy 2).

Пример 3:
Лист из сплава на железоникелевой основе продувался азотом со скоростью 20 л в минуту в течение 2 ч, затем температура повышалась до 1250^oC и лист выдерживался 100 ч при скорости подачи азота 10 л в минуту и охлаждался со скоростью 100^oC/мин до температуры 650^oC. Механические свойства, полученные на указанном сплаве, представлены в табл. 2 (сплав 3).Example 3:
An iron-nickel-based alloy sheet was purged with nitrogen at a speed of 20 L per minute for 2 hours, then the temperature was increased to 1250 ^° C and the sheet was kept for 100 hours at a feed rate of 10 L per minute and cooled at a speed of 100 ^o C / min to a temperature 650 ^o C. The mechanical properties obtained on the specified alloy are presented in table. 2 (alloy 3).

Пример 4 - аналог (SU 1206334): Лист из сплава на никелевой основе, содержащего 25 мас.% хрома, 10 мас.% кобальта, 12 мас.% вольфрама, 3 мас.% титана, 3 мас.% молибдена, 0,03 мас.% магния, подвергался нагреву при 1000^oC и выдержке в течение 6 ч в атмосфере природного газа и аммиака, последующей выдержке вначале в атмосфере полностью диссоциированного аммиака в течение 1 ч, затем в атмосфере природного газа и аммиака в течение 3 ч, подстуживании и выдержке в насыщающей среде. Подстуживание осуществлялось до 800^oC, а последующую выдержку проводили в течение 4 ч. В качестве насыщающей среды использовали природный газ. Механические свойства, полученные по способу-прототипу, представлены в табл. 2 (сплав 4).Example 4 analogue (SU 1206334): Nickel-based alloy sheet containing 25 wt.% Chromium, 10 wt.% Cobalt, 12 wt.% Tungsten, 3 wt.% Titanium, 3 wt.% Molybdenum, 0.03 wt.% magnesium, was heated at 1000 ^o C and held for 6 hours in an atmosphere of natural gas and ammonia, followed by exposure first to an atmosphere of completely dissociated ammonia for 1 hour, then in an atmosphere of natural gas and ammonia for 3 hours, stirring and exposure to saturation. Stirring was carried out to 800 ^o C, and subsequent exposure was carried out for 4 hours. Natural gas was used as a saturating medium. The mechanical properties obtained by the prototype method are presented in table. 2 (alloy 4).

В табл. 1 представлены режимы азотирования предлагаемого способа и способа-прототипа, а в табл. 2 - механические свойства. Как видно из табл. 2, предлагаемый способ позволяет получить значительно более высокий уровень характеристик длительной прочности и термостойкости в 2,5-9 раз, рабочая температура возрастает на 200^oC.In the table. 1 presents the nitriding modes of the proposed method and the prototype method, and in table. 2 - mechanical properties. As can be seen from the table. 2, the proposed method allows to obtain a significantly higher level of characteristics of long-term strength and heat resistance in 2.5-9 times, the operating temperature increases by 200 ^o C.

Таким образом, использование жаропрочных сплавов, обработанных предлагаемым способом, позволяет повысить характеристики ГТД нового поколения: КПД на 5-10%, ресурс в 1,5-2 раза, увеличить тягу, снизить вес на 5-10%. Thus, the use of heat-resistant alloys processed by the proposed method can improve the characteristics of a new generation gas turbine engine: efficiency by 5-10%, resource by 1.5-2 times, increase thrust, reduce weight by 5-10%.

Claims (5)

1. Способ азотирования жаропрочных сплавов на никелевой, железоникелевой, никель-кобальтовой и кобальтовой основе, отличающийся тем, что проводят продувку потоком азота, осуществляют нагрев до 1150 - 1250^oC, последующую выдержку при этой температуре в потоке азота, который подается со скоростью 3 - 10 л/мин, и охлаждение со скоростью не менее 50^oC/мин до температуры, ниже которой образование нитридных фаз не происходит.1. The method of nitriding of heat-resistant alloys based on nickel, iron-nickel, nickel-cobalt and cobalt-based, characterized in that it is purged with a nitrogen stream, heated to 1150 - 1250 ^o C, subsequent exposure at this temperature in a nitrogen stream, which is supplied at a speed of 3 - 10 l / min, and cooling at a rate of at least 50 ^o C / min to a temperature below which the formation of nitride phases does not occur. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что продувку деталей осуществляют со скоростью подачи азота 10 - 20 л/мин в течение 1 - 2 ч. 2. The method according to claim 1, characterized in that the parts are purged with a nitrogen flow rate of 10-20 l / min for 1 to 2 hours. 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что выдержку в потоке азота проводят в течение 10 - 100 ч. 3. The method according to PP. 1 and 2, characterized in that the shutter speed in a stream of nitrogen is carried out for 10 to 100 hours 4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что охлаждение проводят принудительно в воде или на воздухе. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the cooling is carried out forcibly in water or in air. 5. Изделие из жаропрочных сплавов, отличающееся тем, что оно получено способом по любому из пп.1 - 4. 5. A product of heat-resistant alloys, characterized in that it is obtained by the method according to any one of claims 1 to 4.

Images