порошковая проволока для нанесения жаростойких покрытий

Формула изобретения

Порошковая проволока для нанесения жаростойких покрытий на детали, работающие в условиях высокотемпературной газовой коррозии, состоящая из стальной оболочки и сердечника, отличающаяся тем, что сердечник выполнен из шихты, содержащей в долях от массы проволоки: порошок алюминиевый ПА4 3-7%, хром металлический X99H1 23-27%, ферротитан ФТи70С05 0,5-1,2%, ферросилиций ФС90 0,8-1%.

Описание изобретения к патенту

Техническое решение относится к области материалов для получения покрытий методами газотермического напыления, а именно к порошковым проволокам для получения жаростойких покрытий с использованием процесса дуговой металлизации, и может быть использовано для защиты поверхности деталей, работающих в условиях высокотемпературной газовой коррозии, например труб топочных экранов бойлеров тепловых электростанций.

Известны порошковые проволоки [1], включающие оболочку из стали 08кп и сердечник, выполненный из шихты, в состав которой, в различных сочетаниях, введены феррохромбор ФХБ-2, порошок алюминиевый ПА4, порошок алюминиево-магниевый ПАМ-4, порошок медный ПМС-В, ферромолибден ФМо-60 и феррохром ФХ-800. Химический состав указанных порошковых проволок (в долях от массы проволоки): хром 2,5-9%, бор 1,2-5%, алюминий 1,5-15%, кремний 0,3-0,6%, магний 1-2%, молибден 2,5%, медь 1,8%, железо - основа.

В результате выдержки в течение 24 часов при температуре 700°С покрытия имеют прирост массы порядка 10-50 г/м² ч. Жаростойкость покрытий, получаемых при дуговой металлизации данными проволоками (показатель, обратный приросту массы), в 8-10 раз выше, чем у низкоуглеродистой стали [2]. Однако этого недостаточно для указанных выше областей применения. Низкая жаростойкость обусловлена наличием в покрытии, получаемом при дуговой металлизации данной проволокой, преимущественно структурных составляющих с низкими защитными свойствами, оксидов Fe₂O₃, B₂ О₃.

В качестве прототипа выбраны порошковые проволоки [3], включающие оболочку из стали и сердечник, выполненный из шихты, химический состав которой (в долях от массы проволоки): бор 2-3%, алюминий 2-12%, хром 6-10%, железо - основа. В структуре покрытий, получаемых при дуговой металлизации данными проволоками, присутствуют, преимущественно, оксиды Fe₂O₃ , обладающие низкими защитными свойствами, и в меньшей степени Cr₂O₃ и Аl₂O₃, в результате выдержки в течение 24 часов при температуре 700°С покрытия имеют прирост массы порядка 10-50 г/м² ч, как и для аналога, однако при более простой для технологической реализации системе легирования.

К недостаткам прототипа относится низкая жаростойкость покрытий, получаемых при дуговой металлизации данными проволоками.

Задачей технического решения является повышение жаростойкости деталей, работающих в условиях высокотемпературной газовой коррозии.

Поставленная задача решается благодаря тому, что на поверхность деталей методом дуговой металлизации наносится жаростойкое покрытие из порошковой проволоки, состоящей из стальной оболочки и сердечника и отличающейся тем, что с целью повышения жаростойкости покрытий сердечник выполнен из шихты, в состав которой введены (в долях от массы проволоки): порошок алюминиевый ПА4 3-7%, хром металлический X99H1 23-27%, ферротитан ФТи70С05 0,5-1,2%, ферросилиций ФС90 0,8-1%.

В отличие от прототипа в состав шихты дополнительно введены титан в виде ферротитана ФТи70С05 0,5-1,2%, кремний в виде ферросилиция ФС90 0,8-1%), а также увеличено количество хрома, введенного в виде хрома металлического Х99Н1 23-27% (в долях от массы проволоки).

За счет введения в шихту порошка алюминиевого и хрома металлического покрытия, получаемые при дуговой металлизации предлагаемой порошковой проволокой, обладают высокой жаростойкостью, так как на их поверхности при нагреве формируются преимущественно оксидные пленки Al₂ O₃ и Cr₂O₃. Данные пленки характеризуются высокой температурой плавления (2050 и 1990°С соответственно), химической и термической стабильностью, низкой скоростью роста, а также высокой прочностью сцепления с основным металлом в процессе циклических нагревов (теплосмен), благодаря чему обеспечивается продолжительный срок службы защищаемых деталей.

В ходе испытаний [4, 5] установлено, что хромоалюминиевые сплавы, содержащие от 10 до 20% хрома и от 0 до 3% алюминия, при выдержке в течение 240 часов при температуре 1000°С демонстрировали потерю массы более 10 г/м² ч, то есть обладали низкой жаростойкостью. В то же время сплавы, содержащие от 23 до 27% хрома и от 3 до 7% алюминия, при тех же условиях испытаний демонстрировали потерю массы не более 0,5 г/м² ч, то есть обладали высокой жаростойкостью. Дополнительное легирование хромом вплоть до 65% и алюминием вплоть до 10% не приводило к увеличению жаростойкости, более того, указанные сплавы обладали высокой хрупкостью после нагрева и охлаждения, вследствие выделения интерметаллидного соединения хрома и железа (FeCr или сигма-фазы), что приводило к их разрушению при эксплуатации [6].

Железохромоалюминиевые сплавы склонны к локальной (язвенной) высокотемпературной коррозии, при протекании которой нарушается сплошность пленки Al₂ O₃, и наблюдается разрушительное окисление [7, 8], при этом инициаторами развития локальных коррозионных поражений являются согласно [7] выделения по границам зерен карбидов хрома с железом.

Для предупреждения развития локальной высокотемпературной коррозии хромоалюминиевых покрытий в состав шихты введен титан в виде ферротитана. Это приводит к образованию термодинамически стабильных и жаростойких карбидов, исключению возможности выделения карбидов хрома с железом, понижению содержания углерода в твердом растворе до концентраций его предельной растворимости при температурах эксплуатации.

При этом предотвращается формирование железохромистых карбидов и шпинелей (Fe, Cr) ₂О₃, обладающих низкими защитными свойствами. В результате замедляется протекание локальной высокотемпературной коррозии.

В работах [4, 5] установлено, что хромоалюминиевые сплавы, содержащие 25% хрома, 5% алюминия и от 0,25 до 0,50% углерода при выдержке в течение 240 часов при температуре 1200°С демонстрировали потерю массы более 1 г/м² ч, то есть обладали низкой жаростойкостью, за счет выделения по границам зерен карбидов хрома с железом ((Cr Fe)₇C₃ при высокой температуре и (FeCr)₄C при низкой температуре). Эти же сплавы, дополнительно легированные титаном вплоть до 1,20%, при тех же условиях испытаний демонстрировали потерю массы не более 0,2 г/м² ч, то есть обладали высокой жаростойкостью. Сверхнормативное легирование титаном вплоть до 9% приводило к снижению жаростойкости, вследствие выделения интерметаллидного соединения титана и железа (Fe₂Ti), из-за чего указанные сплавы при выдержке в течение 240 часов при температуре 1200°С демонстрировали потерю массы более 1 г/м² ч, то есть обладали низкой жаростойкостью. В то же время легирование сплавов менее чем 0,50-1,20% титана не оказывало существенного влияния на жаростойкость [4, 5].

Также в шихту предлагаемой порошковой проволоки введен кремний в виде ферросилиция, так как при легировании хромоалюминиевых сплавов кремнием образуется подокалинный слой оксида SiO₂, за счет чего уменьшается диффузия железа к поверхности окалины, а также диффузия кислорода и азота в подокалинные слои. Таким образом, образование оксидов железа и нитридов алюминия, снижающих жаростойкость покрытий, ограничено диффузионно-барьерным слоем оксида SiO₂ [8, 9].

Сверхнормативное легирование кремнием, начиная с 1,5%, смещает область образования сигма-фазы в сторону более низких содержаний хрома и, кроме того, способствует росту зерна хромистых сплавов, что приводит к их охрупчиванию и разрушению при эксплуатации. В тоже время легирование хромистых сплавов менее чем 0,8-1,2% кремния не оказывало существенного влияния на жаростойкость [5].

Пример конкретного выполнения

Покрытие толщиной 0,2 мм по предложенному техническому решению нанесено методом дуговой металлизации из разработанной проволоки (аппарат АДМ-10, ток 160А, напряжение 28 В) на пластины 30×20×1,5 мм из стали 3. Жаростойкость образцов покрытий определяли согласно ГОСТ 9.312 как величину, обратную приросту массы в результате выдержки в течение 24 часов при температуре 700°С. Наличие причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом показано в таблице.

Техническое решение позволяет повысить жаростойкость покрытий, получаемых при дуговой металлизации порошковой проволоки, по сравнению с покрытиями, получаемыми из проволоки-прототипа в 5-8 раз.

Таблица Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом
Виды технического результата	Показатели фактические, среднее значение		Объяснение, за счет чего стало возможным улучшение показателей предложенного объекта по сравнению с прототипом
	прототипа	заявляемого объекта
Прирост массы, г/м2 ч	10-50	2-6	1. Введение в шихту порошковой проволоки порошка алюминиевого ПА4 3-7% и хрома металлического X99H1 23-27% (в долях от массы проволоки) обеспечивает формированию оксидных пленок Al2O 3 и Cr2О3 с высокими защитными свойствами
			2. Введение в шихту порошковой проволоки ферротитана ФТи70С05 0,5-1,2% (в долях от массы проволоки) предотвращает формирование железохромистых карбидов (Fe, Cr)7 С3, шпинелей (Fe, Cr)2O3, а следовательно, и развитие локальной высокотемпературной коррозии
			3. Введение в шихту порошковой проволоки ферросилиция ФС90 0,8-1,2% (в долях от массы проволоки) обеспечивает формирование оксидной пленки SiO2 и предотвращает образование оксидов железа с хромом и нитридов алюминия, снижающих жаростойкость покрытий

Литература

1. V. Pokhmurs'kyi, М. Student, В. Formanek, V. Serivka, Yu. Dz'oba, V. Dovhunyk, I. Sydorak. Heat resistance of electric arc coatings made of Fe-Cr-B-Al powder wire // Materials Science, Vol.39, No. 6, 2003.

2. Никитин В.И. Расчет жаростойкости металлов. - М.: Металлургия, 1976. - 207 с.

3. M.M. Student, H.V. Pokhmurs'ka, V.V. Hvozdets'kyi, M.Ya. TTolovchuk, M.S. Romaniv. Effect of high-temperature corrosion on the gas-abrasive resistance of electric-arc coatings // Materials Science, Vol.45, No. 4, 2009

4. Корнилов, И.И. Железные сплавы: В 3 т.Т. 1: Сплавы железо - хром - алюминий. Акад. наук СССР. Ин-т общей и неорган, химии. Лаб. железных сплавов. - М. - Л.: Изд-во АН СССР, 1945. - 192 с.

5. Химушин Ф.Ф. Жаропрочные стали и сплавы. М.: Металлургия, 1969. - 749 с.

6. Гудремон Э. Специальные стали. Т.2. - М.: Металлургия, 1966. - 737 с.

7. Бекетов Б.И. Исследование влияния легирующих элементов на характер и кинетику процесса высокотемпературного окисления и разработка ферритной стали, жаростойкой до 1100°С // Автореф. дис. канд. тех. наук. - М., 1971. - 24 с.

8. Жуков Л.Л., Племянникова И.М, Миронова М.Н., Баркая Д.С., Шумков Ю.В. Сплавы для нагревателей. - М.: Металлургия, 1985. - 144 с.

9. Суперсплавы II: Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок // Под ред. Симса Ч.Т., Столоффа Н.С., Хагеля У.К.: Пер. с англ. В 2-х книгах. Кн. 2. // Под ред. Шалина Р.Е. - М.: Металлургия, 1995. - 384 с.