состав сварочной проволоки

Формула изобретения

Состав сварочной проволоки, преимущественно для сварки жаропрочных сталей и сплавов в защитной среде, включающий углерод, хром, никель, вольфрам, марганец, железо, алюминий, по меньшей мере, один компонент из группы редкоземельных металлов, кобальт, отличающийся тем, что состав дополнительно содержит молибден, титан и рений при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,10-0,30
Хром	15,0-20,0
Вольфрам	1,4-2,0
Молибден	14,0-20,0
Никель	2,0-4,0
Железо	2,0-4,0
Марганец	0,5-1,0
Титан	0,5-1,5
Алюминий	0,5-1,5
По меньшей мере, один компонент
из группы редкоземельных металлов	0,01-0,03
Рений	0,01-0,05
Кобальт	Остальное,

при этом суммарное содержание титана и алюминия составляет 1,0-2,0%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии и к сварочному производству, и может быть использовано для изготовления сплавов на кобальтовой основе и присадочных металлов из этих сплавов для сварки, наплавки и ремонта сваркой ответственных деталей из высоколегированных жаропрочных никелевых и кобальтовых сплавов деталей горячего тракта авиационных газотурбинных двигателей, работающих при высоких температурах (более 900°С).

Известно, что при сварке высоколегированных жаропрочных сплавов, особенно литых типа ВЖЛ12У-ВИ, ЧС88У-ВИ и др., могут образовываться трещины в сварном соединении. При этом трещины могут образовываться как непосредственно при сварке, так и в условиях дальнейшей высокотемпературной эксплуатации деталей, изготовленных из жаропрочных сплавов и имеющих сварные соединения. Основными факторами, вызывающими образование трещин, являются высокий уровень и темп нарастания напряжений в сварном соединении, а также низкая релаксационная стойкость и деформационная способность жаропрочных сплавов при высокой температуре. Сварка таких сплавов известными присадочными металлами не позволяет получить качественных соединений ввиду указанной склонности этих сплавов к образованию горячих трещин в сварном соединении и их недостаточных прочностных свойств при высоких температурах.

Известны сплавы на кобальтовой основе с высоким содержанием углерода (более 1,0%), так называемые стеллиты, которые используются для наплавки или напыления клапанов и деталей, работающих при высоких температурах с термоударами или в абразивных средах. Например, сплав для наплавки на основе кобальта, состав которого содержит, %: углерод (С) - 2,2-2,8%; хром (Cr) - 28-32%; вольфрам (W) - 15-18%; кремний (Si) - 0,8-1,2%; марганец (Mn) - 0,3-1,0%; ванадий (V) - 0,1-0,3%; бор (В) - 0,05-0,2%; кобальт (Со) - остальное (а.с. SU №346065 А, В23К 35/30, опубликовано 28.07.1972 г., бюллетень №23). Наплавленные слои прутками из этого сплава на стальные изделия имеют твердость 55-60 HRC. Недостатком таких наплавочных материалов, обладающих высокой твердостью наплавленных слоев и низкой пластичностью, для сварки жаропрочных сплавов, работающих в условиях динамических нагрузок, не пригодны.

Известен также присадочный металл из сплава на основе кобальта, содержащий 0,2-0,5% углерода (С); 1,1-3,0% кремния (Si); 25,0-30,0% хрома (Cr); 0,1-1,0% вольфрама (W); 0,2-3,0% железа (Fe); 0,4-6,0% молибдена (Мо); 0,1-2,0% марганца (Mn); 1,0-4,0% никеля (Ni); остальное кобальт (Со) и примеси: около 0,007% бора (В); около 0,01% фосфора (Р); около 0,02% серы (S) (патент US №4659632 А, кл. В32В 15/01, опубликован 21.04.1987 г.). Указанный присадочный металл использовался в виде литых прутков для ручной наплавки валиков методом TIG (сварка неплавящимся вольфрамовым электродом в инертном газе) на стальные пластины JIS SUI-2 (HRC 60) для повышения износостойкости наплавленного слоя. Недостатком этого присадочного металла является то, что он не обеспечивает отсутствие трещин при сварке жаропрочных сплавов и необходимые механические свойства сварных соединений.

Известен также кобальтовый сплав, содержащий 0,05% углерода (С); 29% хрома (Cr); 20% никеля (Ni); 6% тантала (Та); 0,25% церия (Се); остальное - кобальт (Со) (патент US №5192625 А, кл. В32В 15/00, опубликован 09.03.1993 г.). Из указанного сплава изготавливается сварочная проволока для сварки, наплавки и ремонта деталей из кобальтовых сплавов, в частности для ремонта трещин на литых соплах газовых турбин. В соответствии с описанием данного патента трещины на сварных образцах, имитирующих сопло газовой турбины, заваренные сварочной проволокой из указанного кобальтового сплава начали появляться после 300 циклов термического воздействия при температуре 1588°F (864,4°С) в течение 4 минут плюс 70°F (21,1°C) в течение 4 минут. В патенте приведены прочностные характеристики сплава: предел прочности при растяжении при 1400°F (760°С) - 103400 psi (712,9 МПа), при 1600°F (871,1°C) - 60100 psi (414,4 МПа), длительная 1003-часовая прочность при 1500°F (815,6°С) - 25000 psi (172,4 МПа). Недостатком данного технического решения является то, что приведенные выше прочностные свойства для сварных соединений высокожаропрочных сплавов являются недостаточными.

Наиболее близким к заявленному составу является состав сварочной проволоки, преимущественно для сварки жаропрочных сталей и сплавов в защитной среде, включающий углерод, хром, никель, вольфрам, марганец, железо, алюминий, редкоземельные металлы, кобальт (а.с. SU 810413 А, В23К 35/32, опубликовано 07.03.1981 г., бюллетень №9). При этом состав сварочной проволоки содержит, %: 0,05-0,35% углерода (С), 20-30% хрома (Cr), 10-20% никеля (Ni), 9-11% вольфрама (W), 0,5-2,0% марганца (Mn), 0,5-10,0% железа (Fe), РЗМ (редкоземельные металлы) 0,01-0,08%, 0,01-0,03% кальция (Са), любой компонент, выбранный из группы цирконий, гафний, алюминий в количестве 0,02-0,15%, при их суммарном содержании в пределах 0,04-0,20%. Указанный состав сварочной проволоки использовался при сварке разнородного сочетания сталей марок 30ХГСНА и 13Х15Н4АМ3 и сплава ВЖЛК21. Предел прочности сварных соединений при сварке литейного кобальтового жаропрочного сплава ВЖЛК21 при 1000°С составляет 20,0 кгс/мм ² (196,1 МПа).

Недостаток данной сварочной проволоки состоит в том, что при сварке высоколегированных жаропрочных никелевых сплавов, например, ВЖЛ12У-ВИ (15Х10Н58К13М3Т4Ю5БВФР) и ЧС88У-ВИ (06Х16Н58К11В5М2Т5Ю3БЮР) указанная сварочная проволока не обеспечивает отсутствие трещин в сварных соединениях.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение прочностных характеристик сплава сварочной проволоки, а также повышение качества сварного соединения за счет исключения в нем появления трещин.

Указанный технический результат достигается тем, что состав сварочной проволоки, преимущественно для сварки жаропрочных сталей и сплавов в защитной среде, включающий углерод, хром, никель, вольфрам, марганец, железо, алюминий, по меньшей мере, один компонент из группы редкоземельных металлов, кобальт, дополнительно содержит молибден, титан и рений, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,10-0,30
Хром	15,0-20,0
Вольфрам	1,4-2,0
Молибден	14,0-20,0
Никель	2,0-4,0
Железо	2,0-4,0
Марганец	0,5-1,0
Титан	0,5-1,5
Алюминий	0,5-1,5
По меньшей мере, один компонент
из группы редкоземельных металлов	0,01-0,03
Рений	0,01-0,05
Кобальт	остальное до 100%,

при этом суммарное содержание титана и алюминия составляет 1,0-2,0%.

Примеры содержания элементов заявленного и известного составов приведены в табл.1.

Таблица 1
Состав сплава	Содержание элементов, мас.%
	С	Cr	W	Mo	Ni	Fe	Mn	Ti	Al	РЗМ	Re	Ca	Co
1 (прототипа по нижнему пределу диапазона компонента)	0,05	20,0	9,0	-	10,0	0,5	0,5	-	0,02	0,01	-	0,01	остальное до 100
2 (прототипа по верхнему пределу диапазона компонента)	0,35	30,0	11,0	-	20,0	10,0	2,0	-	0,15	0,08	-	0,05	остальное до 100
3 (заявленный по нижнему пределу диапазона компонента)	0,10	15,0	1,4	14,0	2,0	2,0	0,5	суммарное содержание 1,0		0,01	0,01	-	остальное до 100
4 (заявленный по верхнему пределу диапазона компонента)	0,30	20,0	2,0	20,0	4,0	4,0	1,0	суммарное содержание 2,0		0,03	0,05	-	остальное до 100
5 (заявленный в диапазоне компонента)	0,2	17,0	1,7	17,0	3,0	3,0	0,7	суммарное содержание 1,5		0,02	0,03	-	остальное до 100

Содержание углерода (С) 0,10-0,30% в составе сварочной проволоки необходимо для образования с молибденом и хромом карбидов, обеспечивающих жаропрочность металла сварного шва. При содержании углерода менее 0,10% не достигается требуемый уровень прочности сварного шва. При содержании углерода более 0,30% - в металле сварного шва образуются горячие трещины.

Хром (Cr) в пределах 15,0-20,0% растворяется в кобальтовой матрице с образованием карбидов и обеспечивает жаростойкость наплавленного металла сварного шва.

Введение молибдена (Мо) в количестве 14,0-20,0% в состав сварочной проволоки обусловлено необходимостью обеспечения жаропрочности наплавленного металла сварного шва, особенно для деталей, работающих при температурах выше 900°С, за счет образования в структуре металла карбидов, а также интерметаллидной фазы Мо ₂Со₉.

Вольфрам (W) введен в сварочную проволоку в количестве 1,4-2,0%. Известно, что молибден и вольфрам являются взаимозаменяемыми практически во всех сплавах. Однако легирование кобальтовой сварочной проволоки молибденом является более предпочтительным, так как в этом случае сварные соединения менее подвержены образованию трещин. Это связано с тем, что молибденовая карбидная фаза по сравнению с вольфрамовой является более "мягкой". Поэтому в заявленном составе сварочной проволоки содержание молибдена значительно превалирует над вольфрамом, причем наилучшим является соотношение 10:1.

Для повышения жаропрочности металла сварного шва в сварочную проволоку дополнительно введен титан (Ti) и алюминий (Al), каждый в пределах 0,5-1,5%. При этом их суммарное содержание составляет 1,0-2,0%. Повышение жаропрочности при введении в кобальтовую матрицу титана и алюминия связано с образованием в структуре металла интерметаллидных фаз TiCo₂ и Co ₂Al₉. Суммарное ограничение содержания титана и алюминия в составе сварочной проволоки связано с ухудшением свариваемости (т.е. появлением трещин в сварном соединении при сварке и термообработке).

Содержание никеля (Ni) и железа (Fe) в сварочной проволоке, каждого от 2,0 до 4,0%, обусловлено их нахождением в пределах диапазона растворимости в кобальтовой матрице, что не вызывает ухудшения свойств наплавленного металла.

Введение рения (Re) в количестве 0,01-0,05% заявленного состава сварочной проволоки обеспечивает очищение и упрочнение междендритных границ при кристаллизации металла шва, а также измельчение дендритов, что повышает пластичность металла шва и способность релаксации сварочных напряжений. При этом наличие рения в составе сварочной проволоки также повышает жаропрочность металла шва.

Марганец (Mn) в заявленном составе содержится в количестве 0,5-1,0%. Положительное действие марганца обусловлено его способностью к раскислению металла шва и связыванию серы в тугоплавкий сульфид MnS. По этой причине сварные швы имеют повышенную пластичность и стойкость к горячим трещинам. При содержании марганца менее 0,5% его действие является малозначительным, а при содержании более 1,0% увеличивается количество неметаллических включений в шве и уменьшаются его пластические свойства.

Кобальт (Со) является основой заявленного состава сварочной проволоки. Это обусловлено тем, что кобальтовые жаропрочные сплавы, легированные тугоплавкими элементами (Cr, W, Mo, Nb и др.) и элементами, образующими с кобальтовой матрицей жароупрочняющую фазу (Al, Ti), обладают лучшей свариваемостью по сравнению с никелевыми и железоникелевыми жаропрочными сплавами.

В качестве редкоземельных металлов (РЗМ) может быть использован, например, церий, лантан, мишметалл (смесь церия и лантана). При этом в составе сварочной проволоки, в заявленном диапазоне 0,01-0,03, может быть использован как один из обозначенных редкоземельных металлов, так и несколько (их смесь). Введение в заявленный состав для изготовления сварочной проволоки РЗМ в количестве 0,01-0,03% обусловлено тем, что указанное количество является достаточным для раскисления металла при его выплавке. Увеличение содержания РЗМ более 0,03% приводит к увеличению количества неметаллических включений, понижающих пластические свойства.

Предложенное изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображены:

на фиг.1 показаны литые пластины из сплава ВЖЛ12У-ВИ, выполненные с отверстиями (имитаторами дефектов) и имеющие толщину 2-3 мм, до аргонодуговой сварки отверстий;

на фиг.2 показаны те же пластины (что и на фиг.1) после аргонодуговой сварки отверстий;

на фиг.3 показан типовой сварной образец для испытания на прочность при растяжении.

Заявленный состав сварочной проволоки был получен путем двойного переплава состава проволоки в вакуумной печи. Сначала из чистых шихтовых исходных материалов получали шихтовую заготовку, от которой отделяли прибыльную ("грязную") часть. Затем чистый металл вновь переплавляли в вакуумной печи и заливали в формы для получения прутков диаметром 3,0 мм. В результате двойного переплава была достигнута высокая чистота металла по сере и фосфору, содержание которых составило соответственно 0,003 и 0,004%, а также по наличию кремния - 0,2-05%, т.е. был получен сплав с минимальным содержанием примесей. Сера и фосфор, как известно, являются вредными примесями, особенно в жаропрочных сплавах. Поэтому их содержание в полученном после переплава присадочном металле для сварки жаропрочных сплавов должно быть минимальным.

Заявленный состав сварочной проволоки был использован для заварки литейных дефектов на литых деталях - проставках из сплава ВЖЛ12У-ВИ (15Х10Н58К13М3Т4Ю5БВФР), с рабочей температурой 975°С. Из деталей проставок толщиной 2,0-3,0 мм были вырезаны пластины, на которых высверлили отверстия диаметром 6; 8; 10; 15 мм. (см. фиг.1). Отверстия заварили аргонодуговой сваркой (см. фиг.2) разными составами сварочных проволок - известным (прототип) и заявленным. После заварки отверстий проводили рентгеноконтроль на наличие трещин в сварном соединении. Для оценки механических свойств сварных соединений были изготовлены типовые плоские сварные образцы 1 со сварным швом 2 (см. фиг.3).

В таблице 2 приведены результаты рентгеноконтроля и сравнительные испытания сварных образцов, выполненные заявленным и известным из прототипа составом сварочной проволоки (см. табл.1), а также типовыми сварочными проволоками на никелевой основе ЭП367 (06Х15Н60М15), ЭП533 (06Х20Н57М8В8Т3Р). В таблице 2 приведены средние данные при испытании не менее трех образцов.

Таблица 2
Свариваемый материал	Номер состава сварочной проволоки по табл.1 и типовые сварочные проволоки	Показатели свойств
		В 20 МПа	В 975 МПа	Наличие трещин
ВЖЛ12У-ВИ	1	900	188	есть
	2	928	213	есть
	3	902	207	нет
	4	912	238	нет
	5	910	225	нет
	ЭП367	697	152	есть
	ЭП533	761	217	есть

где _В ²⁰, МПа - предел кратковременной прочности при растяжении при 20°С;

_В ⁹⁷⁵, МПа - предел кратковременной прочности при растяжении при 975°С.

Из таблицы 2 следует, что сварные соединения высоколегированного жаропрочного сплава ВЖЛ12У-ВИ, выполненные заявленным составом сварочной проволоки, имеют повышенную жаропрочность по сравнению с известным составом, но самое важное то, что заявленный состав значительно превосходит известные сварочные проволоки по трещиностойкости сварных соединений. Для сварных соединений этот показатель является определяющим, поскольку от него зависит качество и надежность сварных изделий.

Таким образом, заявленный состав сварочной проволоки позволяет устранить литейные дефекты на дорогостоящих деталях из высоколегированных жаропрочных сплавов, в результате чего достигается значительный экономический эффект за счет повышения выхода годного литья. Указанный состав сварочной проволоки позволяет также производить ремонт деталей горячего тракта газотурбинных двигателей из жаропрочных сплавов, в частности деталей регулируемых сопел, бывших в эксплуатации, что также дает значительный технико-экономический эффект.