ОАО «Композит», головная научно-исследовательская...

«Разработка нового высокотемпературного

материала (на базе NiAl) для применения в изделиях

гражданской техники (нагревательные элементы для термообрабатывающих печей)»

ОАО «Композит»,

головная научно-исследовательская организация

ракетно-космической промышленности

Логачев И.А. (начальник группы)

Гаврючин Е.Ю. (начальник БНИОС-8)

КОРОЛЁВСКИЙ ИННОВАЦИОННЫЙ

КОСМИЧЕСКИЙ ФОРУМ

12.12.2013, Наукоград Королёв

2

Цель проекта, проблематикаСоздание новых образцов техники связано с развитием высокотемпературных материалов. Для термической обработки (Т/О) таких материалов необходимо создание нового поколения нагревателей. Существующие нагреватели не способны реализовать весь комплекс требований, необходимый для создания инновационной продукции из перспективных высокотемпературных жаропрочных сплавов.

Цели: Применение перспективного материала - NiAl и получение на его основе сплава с более высокими пластическими характеристиками. Создание нового поколения нагревательных элементов (НЭ) для Т/О перспективных высокотемпературных жаропрочных сплавов. Существенное повышение температуры Т/О (лучше КЭНов). Возможность производить обработку на воздухе, без использования вакуума.

Современные нагревательные элементы

до 1100 °С – сплавы никеля, хрома, железа (нихромы, фехрали);

до 1350 °С – карборундовые (карбид кремния);

до 1450 °С – дисилицид молибдена (низкая механическая прочность; низкая термостойкость; высокая начальная пластичность в интервале температур от 1400 °С до 1650 °С);

от 2200 до 3000 °С – танталовые, молибденовые, вольфрамовые, угольные или графитовые (в вакууме или защитной атмосфере)

Наиболее распространены Карбидкремниевые нагревательные

элементы (КЭН) Но! выдерживают от 4 до 5 режимов

КОРОЛЁВСКИЙ ИННОВАЦИОННЫ

Й КОСМИЧЕСКИЙ

ФОРУМ

3

Интерметаллид NiAl – перспективный материал

Преимущества: высокая Тпл = 1638 °С; низкий удельный вес 5,95 г/см3

(из металлов для НЭ); жаростойкий; жаропрочный материал

Недостаток:• Хрупкий при комнатной температуре

Применение нагревателей из сплава на основе NiAl позволит:

Повысить рабочую температуру печи;

Повысить срок службы нагревателей;

Снизить расходы на нагреватели

Преимущества использования NiAlКОРОЛЁВСКИЙ

ИННОВАЦИОННЫЙ


1. Получение электродов

2. Механическая обработка

3. Центробежное распыление

4. Рассев и магнитная сепарация

5. Электростатическая сепарация

6. Выращивание изделия

7. Горячее изостатическое прессование

Преимущества предлагаемой технологии

• Порошковая металлургия:

- повышение пластичности изделия;

- создание изделия любой формы

4



ФОРУМ

1 2 3 4 5 6 7

55

Текущий статус проекта

Чистый интерметаллид NiAl тугоплавкий, упругий, прочный, но трудно деформируемый материал. Его кристаллическая решетка В2(ОЦК). Некоторые важные свойства – это высокая температура плавления Тпл = 1638 °С и низкая плотность 5,95 г/см3.

Причина хрупкости при комнатной температуре в плотноупакованности подрешетки Al. Радиус атома Al – большой (0,143 нм), а Ni – маленький (0,125 нм). Энергия упорядочения очень высока, что сильно затрудняет подвижность дислокаций и в следствии чего нет места для деформации, так как мало места в ячейке.

Был получен эффект от легирования в поликристаллическом NiAI хромом, изотерма Ni-AI-Cr



ФОРУМ

66

Проведен выбор состава сплава

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11Ni 68,51 65,57 63,35 61,28 59,35 60,03 51,96 43,73 35,34 57,91 48,39Al 31,49 26,37 21,84 17,61 13,64 31,54 31,85 32,17 32,49 26,62 22,24Cr 0,00 7,26 14,03 20,36 26,29 7,60 15,35 23,25 31,31 14,66 28,58Hf 0,00 0,80 0,77 0,75 0,72 0,84 0,85 0,85 0,86 0,81 0,79

Образцы 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11Vikers 650 724 795 805 669 771 725 994 808 583 711

Выплавка исследуемых сплавов проводилась на вакуум-дуговой луночной печи, в которую загружались семь завесок по 20 г. В восьмой лунке находится титановая губка как абсорбент газов.

Состав сплавов определялся на эмиссионном спектрометре OBLF VeOS

По результатам измерений выбран состав сплава на базе NiAl-Cr

Текущий статус проектаКОРОЛЁВСКИЙ



7777

Были проведены опытные плавки сплава системы Ni-Al-Cr в вакуумно-индукционной печи, отработана технология и получен качественный слиток (нужного состава и без дефектов).

Внешний вид слитка ВИП

Основной причиной низкотемпературной хрупкости интерметаллидов является их кристаллическая структура. Но в тоже время пластичность понижают атомы внедрения – C, O, N, H и др. Поэтому дополнительные требования должны предъявляться к шихте, это должны быть особо чистые материалы.

Выплавка в вакууме должна обеспечивать чистоту атмосферы от вредного контакта расплава с атмосферой воздуха.

Часто в камеру нагнетают инертный газ (особо чистый аргон) для снижения кипения. Так как из газа может попасть азот в атмосферу печи, а от туда в расплав, то к газу должны также предъявляться требования по чистоте.

Текущий статус проектаКОРОЛЁВСКИЙ



8

Коммерциализация результатов работы

Ключевые потребители:- ОАО «Электромеханика»;

- ОАО «ВНИИЭТО»;

- Heatmasters;

- Starbar;

- Ipsen Co.;

- ООО «RxM» и др.

- ЗАО ИПФ;

- «ТермИТ»;

- ЗАО «НПК «НАКАЛ»;

- ООО «Сиркон»;

- HTF Inc.;

- KDF (Knight dragon fire Heat Treat

Furneses)



ФОРУМ

http://www.metaltorg.ru/catalogue/show.php?id=33194

http://www.metaltorg.ru/catalogue/show.php?id=33194

9999

Экономические показателина примере трубчатого КЭНА

Цена в США 6495,9 руб./шт.Цена в России 7221,6 руб./шт.

Наш аналог 10000 руб./шт. (вес – 1 кг)

Но! Срок службы у НЭ из NiAl выше.

99

m = ρ V = ∙ ρ l S =∙ ∙ ρ l∙ ∙π R∙ Δ2 =

= ρ l∙ ∙π (R∙ внш 2

- Rвн2)

m = ρ l∙ ∙π (R∙ внш 2

- Rвн2)

1000 = 5,95∙l ∙3,14 ∙ (22 – 1,72)

l = 1000/(5,95∙3,14 ∙1,11) == 53,5/1,11 = 48,2 см



ФОРУМ

10

Экономические показатели проекта

Оборудование Стоимость, млн. руб.Установка выплавки слитка 60,00Установка распыления 70,00Установка очистки 8,00Установка послойного синтеза 60,00Печь для термообработки 1,00

Подитог 199,00Газостат 520,00

Итог 719,00

Статья расхода Цена за 1 кг с НДС, руб.Шихта на слиток 900Выплавка слитка 600Распыление и очистка порошка 1000Выращивание изделия 800Газостатирование + термообработка 1200

Операция Количество в месяц, кг

Количество в год, кг

Расходы, млн. руб.

1. Выплавка 2000 24000 36,001.1. Потери 6% (возвратные) - 1440

Подитог 225602. Распыление+очистка 1880 22560 22,562.1. Потери 15% (возвратные) - 3384

Подитог 191763. Выращивание изделия 1598 19176 15,34084. Газостатирование + термообработка

1598 19176 23,0112

Итого 96,912Итого на 1 кг, тыс. руб. 5,05



ФОРУМ

11

Экономические показатели проекта

Зарплата, руб. 35000Количество человек 8ФОТ в год (1,302 от з/п), млн. руб. 4,37472

Стоимость нагревателя 10 000 руб.

Проект на 5 лет Ставка дисконтирования, %25

Первоначальное вложение, млн. руб. 244,1507

Ежегодный поток, млн. руб. 150,9509NPV, млн. руб. 194,4458IRR, % 62,89

Организация производства (без газостата)



ФОРУМ

12

Инвестиции

Этап 1505 тыс. руб. на производство первой партии комплектов нагревателей

Этап 2244500 тыс. руб. на организацию производства (без газостата)

стоимость нагревателя: 10000 рублей, ставка дисконтирования: 25 %, срок проекта: 5 лет



ФОРУМ

245000 тыс. руб.

13

Управленческая команда

Состав команды:

Руководители проекта – 2 человека

Рабочие – 4 человека

Необходимо:

Рабочие – 1 человек

Экономист (бухгалтер) – 1 человек



ФОРУМ

14

Патентоспособность результатов проекта

Патент на сплавПатент на технологиюПатент на изделие



ФОРУМ

15

Риски

- стоимость материала;

- дефицит материала

Основной риск проекта связан с исходным материалом для изделий:



ФОРУМ

Риск связанный с работами сторонней организации:

- обработка на газостате

Логачев Иван Александрович

Начальник группы ОАО «Композит»

+7-495-513-21-26

+7-916-645-93-48

[email protected]

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!



ФОРУМ

ОАО «Композит», головная научно-исследовательская...

Documents