Институт металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН, Москва, Россия:

С. Б. Румянцева, младший научный сотрудник, эл. почта: sbvarlamova@gmail.com

Акционерное общество «Объединенная двигателестроительная корпорация», Москва, Россия:
Б. А. Румянцев, главный специалист, канд. техн. наук

Московский государственный технический университет имени. Н. Э. Баумана, Москва, Россия:

В. Н. Симонов, профессор, докт. техн. наук

В настоящее время для изготовления камер сгорания малых космических аппаратов используют хромоникелевый сплав ВХ4Ш (Х65НВФТ). Однако он обладает низкой технологичностью, в частности низкой пластичностью при комнатной температуре, что связано с высоким уровнем кислорода. В то же время при температуре испытаний 1100 oC отмечена его высокая пластичность, что ограничивает использование сплава в качестве жаропрочного материала. В ряде работ были предприняты попытки повысить жаропрочность сплава за счет введения добавок тугоплавких металлов: Ta, Nb, Hf, Zr, но в ходе определения химического состава было обнаружено, что Hf и Zr отсутствовали либо находились на границе пределов обнаружения. Позднее был описан процесс применения различных раскислителей для сплава типа ВХ4Ш и получены результаты, согласно которым содержание кислорода удалось снизить с 300–500 до 40–50 ppm* с одновременным усвоением гафния и циркония. В связи с этим целью данной работы является изучение влияния снижения уровня кислорода и дополнительного легирования тугоплавкими металлами (Ta, Nb, Hf, Zr) на механические свойства и микроструктуру жаропрочного хромоникелевого сплава. С помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) с приставкой для энергодисперсионного микроанализа исследована структура хромоникелевых сплавов: сплава I (базовый), выплавленного по существующей технологии без дополнительного легирования; сплава II с добавками тугоплавких металлов: 0,15 Ta – 0,15 Nb – 0,05 Hf – 0,05 Zr; сплава III, выплавленного по технологии, предусматривающей двойной вакуумный переплав с раскислением магниевой лигатурой и дополнительным легированием 0,15 Ta – 0,15 Nb – 0,1 Hf – 0,1 Zr. Проведены механические испытания сплавов при температурах 20, 900 и 1100 ^oC. Экспериментально установлено, что при температуре 1100 ^oC у сплава III наблюдается рост предела прочности на 42 % относительно сплава I и на 20 % относительно сплава II, а также снижение относительного удлинения на 86 % относительно сплава I и на 25 % относительно сплава II. Исследование микроструктуры образ цов после испытаний показало повышение структурной стабильности сплава III, что отражается в уменьшении скорости коагуляции частиц фаз.

1. Аулт Г. М. Требования к высокотемпературным материалам для космических кораблей. Жаропрочные материалы : пер. с англ. А. С. Соболева и Ф. С. Новика. — М. : Металлургия, 1969. С. 41–65.
2. Воронин Г. М., Кишкин С. Т., Панасюк И. О., Подъячев В. Н. Тугоплавкие сплавы в изделиях авиационной и космической техники // Авиационные материалы на рубеже XX–XXI веков. — М. : ВИАМ, 1994. С. 264–273.
3. Conrath E., Berthod P. Microstructures of binary Cr – xNi alloys (0  Ni  50 wt. %) in their as-cast state and after high temperature exposure // Mater. High Temperatures. 2016. Vol. 33, Iss. 2. Р. 189–197. DOI: 10.1080/09603409.2016.1144317.
4. Мироненко В. Н., Аронин А. С., Аристов И. М., Шмытько И. М., Трушникова А. С. Структура и механизм разрушения двухфазного хромоникелевого сплава при высоко температурной деформации // Физика металлов и металловедение. 2016. Т. 117. № 9. С. 969–976.
5. Бутрим В. Н. Технологические решения в металлургическом производстве полуфабрикатов из двухфазного хромоникелевого сплава // Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2017. № 2. С. 5–19.
6. Береснев А. Г., Разумовский В. И., Лозовой А. Ю. Развитие теории легирования для создания нового поколения жаропрочных никелевых сплавов, получаемых методами порошковой металлургии // Теория легких сплавов. 2012. Вып. 2. С. 52–61.
7. Razumovskii V. I., Lozovoi A. Y., Razumovskii I. M. Firstprinciples-aided design of a new Ni-base superalloy: Influence of transition metal alloying elements on grain boun dary and bulk cohesion // Acta Materialia. 2015. Vol. 82. Р. 369–377.
8. Butrim V. N., Beresnev A. G., Trushnikova A. S., Razumovskii I. M., Razumovskii V. I. Effect of а Number of Transition Metals on the Cohesive Properties of Cr – Ni – Base Alloys // Materials Science Forum. 2017. Vol. 879. P. 1980–1986.
9. Пат. 2620405 РФ. Сплав на основе хрома и способ выплавки сплава / Бутрим В. Н., Разумовский И. М., Каширцев В. Н., Береснев А. Г., Трушникова А. С. и др. ; заявл. 24.03.2016 ; опубл. 25.05.2017, Бюл. № 15.
10. Varlamova S., Trushnikova A., Rumyantsev B., Butrim V., Simonov V. Improvement of chemical composition, structure and mechanical properties of heat-resistant chromium-nickel alloy // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 347. 012007.
11. Румянцева С. Б., Румянцев Б. А., Симонов В. Н., Спрыгин Г. С., Каширцев В. Н. Выбор оптимального раскисления хромоникелевого сплава Х65НВФТ, дополнительно легированного тугоплавкими металлами // Электро Металлургия. 2020. № 1. С. 9–17.
12. Krell J., Röttger A., Theisen W. Chromium-nickel-alloys for wear application at elevated temperature // Wear. 2019. P. 432–433. 102924.
13. Бутрим В. Н. Cовершенствование хромоникелевых сплавов для изделий космической техники // Конструкции из композиционных материалов. 2017. № 2. С. 26–38.
14. Разумовский И. М., Береснев А. Г., Разумовский В. И., Логачева А. И. Универсальная система легирования жаропрочных сплавов переходными металлами с высокой энергией когезии // Конструкционные и функциональные материалы. 2014. № 1. С. 33–36.
15. Razumovskii I. M., Ruban A. V., Razumovskii V. I., Logunov A. V., Larionov V. N. et al. New generation of Ni-based superalloys designed on the basis of first-principles calculations // Material Science Engineering: A. 2008. Vol. 497, Iss. 1-2. P. 18–24.