[1]Изобретение относится к металлургии, а именно к литейным коррозионностойким жаропрочным сплавам на основе никеля, предназначенным для литья деталей горячего тракта газотурбинных двигателей и установок с монокристаллической структурой, например, рабочих лопаток газовой турбины, длительно работающих в агрессивных средах при температурах до 700-1000°С.
[2]Известен жаропрочный сплав на основе никеля следующего химического состава, масс. %:
[3]| алюминий | 3,35-3,65 |
| титан | 4,85-5,15 |
| тантал | 2,3-2,7 |
| хром | 11,50-12,50 |
| кобальт | 11,50-12,50 |
| железо | 0,0-0,15 |
| медь | 0,0-0,10 |
| вольфрам | 3,3-3,7 |
| молибден | 1,7-2,10 |
| углерод примерно | 0,04-0,12 |
| бор | 0,010-0,020 |
| цирконий | 0,0-20 миллионных долей |
| гафний | 0,0-0,05 |
| сера | 0,0-0,0012 |
| азот | 0,0-25 миллионных долей |
| кислород | 0,0-10 миллионных долей |
| никель и случайные примеси | остальное |
[4](RU 2443792 С2, 27.02.2012).
[5]Сплав отличается пониженной структурной стабильностью при длительной работе, связанной с выпадением охрупчивающей σ-фазы, которая существенно понижает жаропрочность сплава, а также пониженной коррозионной стойкостью. Кроме того, из-за высокого содержания тантала (до 5 масс. %) сплав достаточно дорогой.
[6]Известен жаропрочный сплав на основе никеля следующего химического состава, масс. %:
[7]| углерод | 0,07-0,12 |
| хром | 12,9-13,5 |
| кобальт | 5,3-5,9 |
| вольфрам | 6,7-7,3 |
| молибден | 0,8-1,20 |
| алюминий | 3,2-3,5 |
| титан | 4,4-4,7 |
| бор | 0,010-0,015 |
| медь | ≤0,04 |
| сера | ≤0,005 |
| фосфор | ≤0,005 |
| азот | ≤15 ppm |
| кислород | ≤15 ppm |
| кальций | ≤0,02 |
| магний | ≤0,02 |
| марганец | 0,01-0,3 |
| по меньшей мере два элемента, выбранные из | |
| группы: железо, кремний и барий | ≤0,2 |
| каждого по меньшей мере два элемента, выбранные из | |
| группы: иттрий, лантан, неодим и самарий | 0,005-0,05 каждого |
| никель | остальное |
[8](RU 2562202 С1, 10.09.2015).
[9]Данный сплав имеет умеренные характеристики коррозионной стойкости, пластичности и невысокие значения длительной прочности при рабочих температурах.
[10]Наиболее близким аналогом является жаропрочный сплав на основе никеля для литья рабочих лопаток газотурбинных установок, содержащий, масс. %:
[11]| углерод | 0,005-0,12 |
| хром | 11,5-12,4 |
| кобальт | 8,0-8,7 |
| вольфрам | 6,7-7,4 |
| молибден | 0,25-0,55 |
| титан | 4,0-4,2 |
| алюминий | 3,9-4,2 |
| бор | 0,001-0,012 |
| марганец | ≤0,12 |
| кремний | ≤0,10 |
| ниобий | 0,8-1,0 |
| магний | ≤0,12 |
| кальций | ≤0,12 |
| медь | ≤0,05 |
| железо | ≤0,1 |
| сера | ≤0,005 |
| фосфор | ≤0,005 |
| азот | ≤10 ppm |
| кислород | ≤10 ppm |
| никель | остальное. |
[12]Отношение содержания титана к содержанию алюминия составляет 0,95-1,07 (RU 2542194 С1, 20.02.2015).
[13]Сплав, взятый за прототип, имеет невысокие характеристики длительной прочности и пониженную коррозионную стойкость при рабочих температурах 700-1000°С.
[14]Таким образом, известные сплавы при рабочих температурах 700-1000°С не обладают оптимальным сочетанием служебных свойств (жаропрочность, пластичность, сопротивление высокотемпературной коррозии, структурная стабильность в процессе эксплуатации).
[15]Задачей предложенного изобретения является разработка жаропрочного литейного сплава на основе никеля с улучшенным сочетанием служебных свойств.
[16]Техническим результатом предложенного изобретения является повышение длительной прочности при температурах 900-1000°С с одновременным повышением стойкости к сульфидно-оксидной и хлоридной коррозии, а также повышение структурной стабильности сплава на ресурс.
[17]Для достижения технического результата предложен жаропрочный литейный коррозионностойких сплав на никелевой основе, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, алюминий, ниобий, марганец, кремний, магний, кальций, а также лантан, церий, иттрий, празеодим, неодим, барий при следующем соотношении компонентов, масс. %:
[18]| углерод | до 0,02 |
| хром | 11,5-13,0 |
| кобальт | 8-9,5 |
| вольфрам | 6-7,5 |
| молибден | 0,1-0,7 |
| титан | 4,0-5,0 |
| алюминий | 3,7-4,5 |
| ниобий | 0,8-1,2 |
| марганец | до 0,30 |
| кремний | до 0,30 |
| магний | до 0,10 |
| кальций | до 0,10 |
| лантан | до 0,20 |
| церий | до 0,20 |
| иттрий | до 0,20 |
| празеодим | до 0,20 |
| неодим | до 0,20 |
| барий | до 0,10 |
| никель | остальное. |
[19]Также предложено изделие, выполненное из данного сплава.
[20]Было установлено, что комплексное введение в сплав лантана, церия, иттрия, празеодима и неодима в присутствии марганца и кремния позволяют повысить высокотемпературную коррозионную стойкость сплава в хлоридной и сульфидно-оксидной средах. Указанные добавки создают защитный барьерный слой на поверхности металла за счет их внутреннего окисления и тем самым тормозят диффузионные потоки ионов серы и кислорода с поверхности вглубь металла.
[21]Кроме того, лантан, церий, иттрий, празеодим и неодим способствуют выделению из γ-твердого раствора ультрадисперсных наночастиц γ'-фазы размером до 100 нм, которые являются препятствием для перемещения дислокаций в процессе высокотемпературной ползучести, тем самым обеспечивая повышение жаропрочности.
[22]Барий является эффективным раскислителем, и его введение в расплав перед присадкой лантана, церия, иттрия, празеодима и неодима позволяет повысить и стабилизировать степень усвоения этих элементов.
[23]Ограничение содержания углерода до 0,02 масс. % наряду с введением в сплав лантана, церия, иттрия, празеодима и неодима позволяют повысить структурную стабильность сплава на ресурс за счет замедления диффузионных процессов при высокотемпературной ползучести и исключения появления в процессе наработки охрупчивающих фаз.
[24]Пример осуществления.
[25]В вакуумной индукционной печи ВИАМ2002 были проведены пять плавок предлагаемого сплава и одна плавка сплава, взятого за прототип. Масса каждой плавки составляла 10 кг. Все плавки были переплавлены в установке направленной кристаллизации УВНК-9А и отлиты в блоки с заготовками под образцы с монокристаллической структурой с кристаллографической ориентацией <001>.
[26]После проведения термической обработки из заготовок были изготовлены образцы для испытаний на длительную прочность при высоких температурах, а также образцы для испытаний на сульфидно-оксидную и хлоридную коррозию.
[27]Составы образцов сплавов приведены в таблице 1.
[28]Испытания на длительную прочность проводили по ГОСТ 10145-81 при температуре 900°С и напряжениях 375, 350 и 275 МПа на базе 100 -1000 часов, а также при температуре 1000°С и напряжении 130 МПа на базе 1000 часов. От каждой плавки было испытано по два образца.
[29]Испытания на коррозию проводили по циклическому режиму. Один цикл испытаний включал:
[30]- нанесение на горячую поверхность образцов солевой корки водного раствора смеси солей 75% Na2SO4+25% NaCl (для сульфидно-оксидной коррозии) или 3,5% водного раствора NaCl (для хлоридной коррозии);
[31]- выдержку образцов при Т=850°С в течение 1 часа в нагревательной печи;
[32]- охлаждение на воздухе.
[33]Общая продолжительность испытаний - 30 циклов.
[34]Оценку стойкости образцов к коррозии проводили по удельному изменению (убыли) массы путем взвешивания образцов через каждые 5 циклов.
[35]Каждый вид испытаний на коррозионную стойкость проводили над 6-ю образцами, после чего высчитывали усредненное значение их удельного изменения (убыли) массы.
[36]Результаты испытаний на длительную прочность и стойкость образцов сплава к сульфидно-оксидной и хлоридной коррозии приведены в таблице 2.
[37]Полученные результаты показывают, что долговечность предлагаемого сплава при испытаниях на длительную прочность при всех режимах заметно превосходит долговечность сплава - прототипа, т.е. предлагаемый сплав обладает более высоким уровнем жаропрочности.
[38]Он также обладает высокой коррозионной стойкостью при температуре испытаний 850°С: удельное изменение (убыль) массы образцов как при сульфидно-оксидной, так и при хлоридной коррозии приблизительно в 2 раза меньше, чем у сплава-прототипа.
[39]Металлографический анализ структуры разрушенных образцов после испытаний на длительную прочность при температурах 900 и 1000°С и напряжении 275 и 140 МПа соответственно на базе более 1000 часов (табл. 2) не выявил образования охрупчивающих ТПУ-фаз (σ, μ и др.), что подтверждает высокую фазовую и структурную стабильность предлагаемого сплава.
[40]Таким образом, предлагаемый сплав существенно превосходит сплав-прототип по долговечности и коррозионной стойкости, обладает фазовой стабильностью, что позволяет повысить ресурс работы и надежность изделий газотурбинных двигателей и установок, длительно работающих в агрессивных средах при повышенных температурах и напряжениях.
[41]
[42]* элементы в сплаве присутствуют, но в меньшем количестве, нежели предел чувствительности метода определения концентрации компонентов (менее 0,00005 масс. %)
[43]
