RU2640118C1 - Cobalt-based wear-resistant alloy - Google Patents
Cobalt-based wear-resistant alloy Download PDFInfo
- Publication number
- RU2640118C1 RU2640118C1 RU2017113417A RU2017113417A RU2640118C1 RU 2640118 C1 RU2640118 C1 RU 2640118C1 RU 2017113417 A RU2017113417 A RU 2017113417A RU 2017113417 A RU2017113417 A RU 2017113417A RU 2640118 C1 RU2640118 C1 RU 2640118C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cobalt
- alloy
- wear
- chromium
- tungsten
- Prior art date
Links
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C19/00—Alloys based on nickel or cobalt
- C22C19/07—Alloys based on nickel or cobalt based on cobalt
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам на основе кобальта, предназначенным для ремонта и упрочнения рабочих лопаток турбин современных авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) с рабочими температурами не менее 1000°С.The invention relates to the field of metallurgy, in particular to cobalt-based alloys intended for repair and hardening of turbine blades of turbines of modern aircraft gas turbine engines (GTE) with operating temperatures of at least 1000 ° C.
Ресурс ГТД в значительной мере определяется надежностью работы газовой турбины, рабочие лопатки которой являются одними из самых нагруженных деталей, которые подвергаются длительному воздействию высокотемпературного газового потока и работают в сложнонапряженных условиях. Поэтому рабочие лопатки изготавливают из наиболее высокожаропрочных, дорогостоящих сплавов на основе никеля и кобальта («суперсплавов»). Однако, несмотря на высокую жаропрочность, «суперсплавы» в условиях работы турбины склонны к коррозии, высокотемпературному окислению и эрозии. Кроме того, рабочие лопатки изнашиваются в результате контактного взаимодействия торцов с элементами статора и постоянного контакта бандажных полок соседних в колесе лопаток.The resource of a gas turbine engine is largely determined by the reliability of the gas turbine, the working blades of which are one of the most loaded parts that are exposed to prolonged exposure to high-temperature gas flow and operate in difficult conditions. Therefore, the blades are made of the most high-temperature, expensive alloys based on nickel and cobalt ("superalloys"). However, despite the high heat resistance, “superalloys” under the turbine operating conditions are prone to corrosion, high-temperature oxidation and erosion. In addition, the working blades wear out as a result of the contact interaction of the ends with the stator elements and the constant contact of the retaining shelves of the adjacent blades in the wheel.
Материал для упрочнения бандажных полок и ремонта лопаток должен обладать высокой износостойкостью, высокими прочностными характеристиками, стойкостью к высокотемпературному окислению и коррозии, высоким качеством свариваемости и низкой склонностью к трещинообразованию. Всем этим требованиям в большей степени удовлетворяют сплавы на основе кобальта с карбидным и/или интерметаллидным упрочнением.The material for hardening retaining shelves and repair of blades should have high wear resistance, high strength characteristics, resistance to high temperature oxidation and corrosion, high weldability and low tendency to crack formation. All these requirements are more satisfied by cobalt-based alloys with carbide and / or intermetallic hardening.
Для повышения износостойкости деталей трения, в том числе деталей и узлов авиационных ГТД, работающих в сложных условиях нагружения при температурах не менее 1000°С в основном применяются сплавы на основе систем Co-Cr-W-C и Co-Cr-Mo-Si, отличающиеся различным типом упрочнения кобальтовой матрицы. Повышение износостойкости сплавов на основе системы Co-Cr-Mo-Si происходит за счет образования в структуре большого количества прочных фаз Лавеса, которые выделяются в кобальтовых сплавах вследствие добавления в них молибдена и кремния.To increase the wear resistance of friction parts, including parts and components of aircraft gas turbine engines operating under difficult loading conditions at temperatures of at least 1000 ° C, alloys based on Co-Cr-WC and Co-Cr-Mo-Si systems are mainly used, differing in various type of hardening cobalt matrix. An increase in the wear resistance of alloys based on the Co-Cr-Mo-Si system occurs due to the formation of a large number of strong Laves phases in the structure, which are released in cobalt alloys due to the addition of molybdenum and silicon.
Высокой износостойкостью характеризуются сплавы на основе системы Co-Cr-W-C.Alloys based on the Co-Cr-W-C system are characterized by high wear resistance.
Известен сплав, раскрытый в пат. US №4353742 А, 12.10.1982, следующего химического состава, мас.%:Known alloy disclosed in US Pat. US No. 4353742 A, 12/10/1982, the following chemical composition, wt.%:
Недостатком данного сплава этой группы является фазовая нестабильность и снижение прочности и износостойкости при высоких температурах (выше 900°С).The disadvantage of this alloy of this group is phase instability and a decrease in strength and wear resistance at high temperatures (above 900 ° C).
Известен ряд сплавов на основе системы Co-Cr-Mo-Si, имеющих торговую марку Tribaloy (патенты US №3410732 А от 12.11.1968, US №3795430 А от 05.03.1974, US №3839024 А от 01.10.1974, US №6852176 В2 от 08.02.2005).A number of alloys based on the Co-Cr-Mo-Si system are known having the Tribaloy trademark (US Pat. B2 dated February 8, 2005).
В пат. US №6852176 В2, 08.02.2005 раскрыт сплав на основе кобальта следующего химического состава, мас.%:In US Pat. US No. 6852176 B2, 02/08/2005 disclosed an alloy based on cobalt of the following chemical composition, wt.%:
Износостойкие сплавы данной группы характеризуются высокой стойкостью к коррозии при экстремально высоких температурах (выше 1000°С), однако имеют невысокую пластичность и более высокую интенсивность износа при работе элементов пар трения, выполненных из одного сплава, в сравнении с известными сплавами на основе системы Co-Cr-W-C, износостойкость которых обеспечивается выделением в кобальтовой матрице сплава карбидов различных составов.Wear-resistant alloys of this group are characterized by high resistance to corrosion at extremely high temperatures (above 1000 ° C), however, they have low ductility and higher wear rate when working with friction pair elements made of one alloy, in comparison with the known alloys based on the Co- Cr-WC, the wear resistance of which is ensured by the precipitation of carbides of various compositions in the cobalt matrix of the alloy.
Известен сплав на основе кобальта, раскрытый в пат. CN №102168211 В, 15.05.2013, следующего химического состава, мас.%:Known alloy based on cobalt, disclosed in US Pat. CN No. 102168211 B, 05/15/2013, of the following chemical composition, wt.%:
Недостатком указанного сплава является невысокая износостойкость, обусловленная недостаточным содержанием тугоплавких элементов (невысокое содержание вольфрама, отсутствие молибдена), образующих твердорастворное упрочнение и обеспечивающих повышение износостойкости сплава.The disadvantage of this alloy is the low wear resistance due to the insufficient content of refractory elements (low tungsten content, the absence of molybdenum), forming solid solution hardening and providing increased wear resistance of the alloy.
Известен жаропрочный свариваемый сплав на кобальтовой основе, раскрытый в пат. RU №2283361 С1, 10.09.2006, который может быть использован для изготовления жаровых труб камер сгорания, стабилизаторов пламени и других горячих узлов ГТД. Сплав содержит, мас.%:Known heat-resistant weldable alloy on a cobalt basis, disclosed in US Pat. RU No. 2283361 C1, 09/10/2006, which can be used for the manufacture of flame tubes of combustion chambers, flame stabilizers and other hot gas turbine engine assemblies. The alloy contains, wt.%:
Недостатками указанного сплава являются невысокие триботехнические характеристики, сужающие область его применения.The disadvantages of this alloy are low tribological characteristics that narrow the scope of its application.
Известен износостойкий и коррозионно-стойкий кобальтовый сплав для деталей трения, раскрытый в пат. US №7754143 В2, 13.07.2010, следующего состава, мас.%:Known wear-resistant and corrosion-resistant cobalt alloy for friction parts, disclosed in US Pat. US No. 7754143 B2, 07/13/2010, of the following composition, wt.%:
Износостойкость сплава достигается за счет образования в структуре до 50% эвтектических фаз, упрочняющих матрицу из твердого раствора на основе αFe-αCo. Сплав также обладает высокой прочностью, однако недостаточной пластичностью и жаростойкостью при температурах выше 1000°С, что обусловлено невысокой пластичностью выделяемых эвтектических фаз.The wear resistance of the alloy is achieved due to the formation of up to 50% eutectic phases in the structure, hardening the matrix from a solid solution based on αFe-αCo. The alloy also has high strength, but insufficient ductility and heat resistance at temperatures above 1000 ° C, due to the low ductility of the emitted eutectic phases.
Известен износостойкий сплав на кобальтовой основе, раскрытый в пат. US №4765955 А, 23.08.1988, отличающийся содержанием в составе алюминия, который в сочетании с хромом повышает стойкость сплава к высокотемпературному окислению. Сплав имеет следующий состав, мас.%:Known wear-resistant alloy on a cobalt basis, disclosed in US Pat. US No. 4765955 A, 08/23/1988, characterized in the content of aluminum, which in combination with chromium increases the resistance of the alloy to high temperature oxidation. The alloy has the following composition, wt.%:
Недостатком сплава является его невысокая рабочая температура (до 800-900°С), обусловленная уменьшением износостойкости и термостойкости при более высоких температурах, на что может влиять неоптимальное соотношение элементов.The disadvantage of the alloy is its low operating temperature (up to 800-900 ° C), due to a decrease in wear resistance and heat resistance at higher temperatures, which may be affected by the non-optimal ratio of elements.
Наиболее близким аналогом предложенного сплава является сплав на основе системы кобальт-хром, раскрытый в пат.GB №778359 А, 03.07.1957, следующего химического состава, мас.%:The closest analogue of the proposed alloy is an alloy based on the cobalt-chromium system disclosed in Pat. GB No. 778359 A, 07/03/1957, the following chemical composition, wt.%:
Недостатком сплава-прототипа является высокий коэффициент трения при работе элементов пар трения, выполненных из этого сплава, например, контактных площадок бандажных полок лопаток турбины ГТД.The disadvantage of the prototype alloy is the high coefficient of friction during operation of the elements of friction pairs made of this alloy, for example, the contact pads of the retaining shelves of the blades of a turbine engine turbine.
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка состава износостойкого сплава на кобальтовой основе, работоспособного в условиях высоких температур и динамического контактного нагружения, применение которого, например, для упрочнения бандажных полок лопаток турбины ГТД позволит существенно уменьшить износ контактных площадок полок и увеличить ресурс лопаток.The technical task of the invention is to develop a composition of a wear-resistant cobalt-based alloy, operable at high temperatures and dynamic contact loading, the use of which, for example, for hardening the retaining shelves of GTE turbine blades will significantly reduce the wear of the contact areas of the shelves and increase the resource of the blades.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение рабочей температуры до 1100°С, снижение коэффициента трения, а также обеспечение низких значений интенсивности износа и линейного износа при рабочих температурах.The technical result of the invention is to increase the operating temperature to 1100 ° C, reduce the coefficient of friction, as well as provide low values of the intensity of wear and linear wear at operating temperatures.
Для достижения поставленного технического результата предложен сплав на основе кобальта, содержащий хром, вольфрам, никель, углерод, кремний и кобальт, при этом он дополнительно содержит титан, по меньшей мере один редкоземельный металл из группы, содержащей церий, лантан и иттрий, и цирконий или гафний, при следующем соотношении компонентов, мас.%:To achieve the technical result, an alloy based on cobalt containing chromium, tungsten, nickel, carbon, silicon and cobalt is proposed, while it additionally contains titanium, at least one rare-earth metal from the group consisting of cerium, lanthanum and yttrium, and zirconium or hafnium, in the following ratio of components, wt.%:
В настоящем изобретении предлагается за счет введения в состав сплава на основе кобальта карбидообразующих элементов циркония или гафния в количестве от 1,0 до 2,0 мас.% и титана в количестве от 1 до 2 мас.% повысить износостойкость сплава за счет образования карбидов различного состава, обладающих высокой твердостью. Как было установлено, введение в состав кобальтового сплава указанных легирующих карбидообразующих элементов в сочетании с карбидообразующими элементами, присутствующими в сплаве-прототипе (углерод, хром, вольфрам) при заданном соотношении компонентов позволяет повысить износостойкость, сократить интенсивность износа и линейный износ деталей пар трения, выполненных из сплава одинакового состава, работающей в условиях динамического виброконтактного нагружения.The present invention proposes, by introducing into the composition of the cobalt-based alloy carbide-forming elements of zirconium or hafnium in an amount of from 1.0 to 2.0 wt.% And titanium in an amount of from 1 to 2 wt.% To increase the wear resistance of the alloy due to the formation of various carbides composition having high hardness. It was found that the introduction of the indicated alloying carbide-forming elements into the composition of the cobalt alloy in combination with the carbide-forming elements present in the prototype alloy (carbon, chromium, tungsten) at a given ratio of components allows to increase wear resistance, reduce the wear rate and linear wear of parts of friction pairs made from an alloy of the same composition, operating under dynamic vibrocontact loading.
Введение по меньшей мере одного редкоземельного металла из группы, содержащей церий, лантан и иттрий, в заданном количестве способствует модифицированию структуры сплава за счет стабилизации образующегося на поверхности сплава соединения Cr2O3. Это также способствует повышению рабочей температуры сплава на основе кобальта и снижению коэффициента трения.The introduction of at least one rare-earth metal from the group consisting of cerium, lanthanum and yttrium in a given amount helps to modify the alloy structure by stabilizing the Cr 2 O 3 compound formed on the surface of the alloy. It also contributes to an increase in the working temperature of the cobalt-based alloy and a decrease in the coefficient of friction.
Примеры осуществления изобретения.Examples of carrying out the invention.
В вакуумных индукционных печах было выплавлено несколько отливок с использованием как чистых шихтовых материалов, так и отходов собственного производства. Разлив металла производился в металлические формы (стальные трубы).In vacuum induction furnaces, several castings were smelted using both pure charge materials and waste from our own production. Metal spillage was carried out in metal forms (steel pipes).
Составы предлагаемого сплава (примеры 1-4) и сплава-прототипа (пример 5) приведены в таблице 1.The compositions of the proposed alloy (examples 1-4) and prototype alloy (example 5) are shown in table 1.
Далее проводили испытания триботехнических характеристик (коэффициент трения, линейный износ, интенсивность износа) при температуре 1100°С. Время испытания составило 2 ч 8 мин (105 циклов), контртело - «пальчик типа I» из исследуемого кобальтового сплава, «пластина» - образцы из того же сплава, нагрузка - 10 Н, промышленная частота колебаний приборов - 13 Гц, амплитуда колебаний - 500 мкм, расчетная нагрузка в зоне контакта составляла ~327 МПа.Next, we tested tribological characteristics (friction coefficient, linear wear, wear rate) at a temperature of 1100 ° C. The test time was 2 hours 8 minutes (10 5 cycles), the counterbody was a “type I finger” from the cobalt alloy under study, the “plate” was samples from the same alloy, the load was 10 N, the industrial oscillation frequency of the instruments was 13 Hz, the oscillation amplitude - 500 μm, the calculated load in the contact zone was ~ 327 MPa.
Триботехнические характеристики предлагаемого сплава и сплава-прототипа приведены в таблице 2.Tribological characteristics of the proposed alloy and prototype alloy are shown in table 2.
Из таблицы 2 видно, что предложенный сплав обладает сниженным на 27,0-27,5% по сравнению с прототипом коэффициентом трения, а также невысокими значениями линейного износа и интенсивности износа при температуре испытаний 1100°С. В то же время, данные показатели не представляется возможным измерить при указанной температуре для сплава-прототипа с более низкой рабочей температурой ввиду его разрушения. Таким образом, можно сделать вывод, что предложенный сплав обладает повышенной на 100°С по отношению к прототипу рабочей температурой.From table 2 it can be seen that the proposed alloy has a friction coefficient reduced by 27.0-27.5% compared with the prototype, as well as low values of linear wear and wear rate at a test temperature of 1100 ° C. At the same time, these indicators are not possible to measure at the indicated temperature for the prototype alloy with a lower working temperature due to its destruction. Thus, we can conclude that the proposed alloy has an increased operating temperature of 100 ° C relative to the prototype.
Использование предлагаемого сплава позволит повысить ресурс и надежность изделий авиационной техники.Using the proposed alloy will improve the resource and reliability of aircraft products.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017113417A RU2640118C1 (en) | 2017-04-18 | 2017-04-18 | Cobalt-based wear-resistant alloy |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017113417A RU2640118C1 (en) | 2017-04-18 | 2017-04-18 | Cobalt-based wear-resistant alloy |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2640118C1 true RU2640118C1 (en) | 2017-12-26 |
Family
ID=63857604
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017113417A RU2640118C1 (en) | 2017-04-18 | 2017-04-18 | Cobalt-based wear-resistant alloy |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2640118C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2685895C1 (en) * | 2018-09-12 | 2019-04-23 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Cobalt-based heat-resistant cast alloy and article made therefrom |
RU2767961C1 (en) * | 2021-05-19 | 2022-03-22 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Cobalt-based alloy |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5582743A (en) * | 1978-12-15 | 1980-06-21 | Hitachi Ltd | High-strength high-toughness cobalt alloy |
US4353742A (en) * | 1978-10-03 | 1982-10-12 | Cabot Stellite Europe Limited | Cobalt-containing alloys |
DE69200222T2 (en) * | 1991-04-19 | 1995-01-26 | Aubert & Duval Sa | Cobalt-based alloy with a small coefficient of thermal expansion. |
RU2601720C1 (en) * | 2015-08-05 | 2016-11-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Heat-resistant welded cobalt-based alloy and article made therefrom |
-
2017
- 2017-04-18 RU RU2017113417A patent/RU2640118C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4353742A (en) * | 1978-10-03 | 1982-10-12 | Cabot Stellite Europe Limited | Cobalt-containing alloys |
JPS5582743A (en) * | 1978-12-15 | 1980-06-21 | Hitachi Ltd | High-strength high-toughness cobalt alloy |
DE69200222T2 (en) * | 1991-04-19 | 1995-01-26 | Aubert & Duval Sa | Cobalt-based alloy with a small coefficient of thermal expansion. |
RU2601720C1 (en) * | 2015-08-05 | 2016-11-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Heat-resistant welded cobalt-based alloy and article made therefrom |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2685895C1 (en) * | 2018-09-12 | 2019-04-23 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Cobalt-based heat-resistant cast alloy and article made therefrom |
RU2767961C1 (en) * | 2021-05-19 | 2022-03-22 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Cobalt-based alloy |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CA2841329C (en) | Hot-forgeable ni-based superalloy excellent in high temperature strength | |
RU2640118C1 (en) | Cobalt-based wear-resistant alloy | |
CA2955322C (en) | Ni-based superalloy for hot forging | |
RU2639194C2 (en) | Cast iron with niobium and structural part | |
KR101836713B1 (en) | Nickel alloy for exhaust system components | |
RU2350674C1 (en) | Heat-resistant alloy | |
JPWO2010150795A1 (en) | Heat resistant steel for engine valves with excellent high temperature strength | |
JP5595495B2 (en) | Nickel-base superalloy | |
US10174408B2 (en) | Alumina-forming, high temperature creep resistant Ni-based alloys | |
RU2283361C1 (en) | High-temperature cobalt-based alloy and article made from this alloy | |
JPWO2010122969A1 (en) | Heat resistant steel for engine valves with excellent high temperature strength | |
RU2447172C1 (en) | Refractory alloy | |
RU2404275C1 (en) | Heat-resistant wrought nickel-based alloy | |
US3681058A (en) | Low-nickel valve steel | |
RU2371495C1 (en) | Heatproof powdery nickel alloy | |
KR101887765B1 (en) | Nickel alloy for exhaust system components | |
RU2790495C1 (en) | Heat-resistant nickel-based casting alloy and a product made from it | |
JP4981212B2 (en) | Ni-based alloy | |
JP2010084167A (en) | Nickel-based alloy and high-temperature member for turbine using the same | |
US20150315919A1 (en) | LIGHTWEIGHT STRUCTURAL NiAl ALLOY WITH A HIGH HIGH-TEMPERATURE STRENGTH | |
RU2789527C1 (en) | Heat resistant nickel-based granular alloy | |
RU2685895C1 (en) | Cobalt-based heat-resistant cast alloy and article made therefrom | |
US3167424A (en) | Alloy for valve seat insert castings | |
RU2516681C1 (en) | Fireproof powdered alloy based on nickel resistant to sulfide corrosion and product made from it | |
KR101592684B1 (en) | High Temperature Resistant Austenitic Casting Iron with Superior Low-Cycle-Fatigue-Life and Creep Resistance on High Temperature |