[1]Изобретение относится к металлургии, в частности к коррозионностойким жаропрочным сплавам для деталей горячего тракта газотурбинных двигателей и установок, длительно работающих в агрессивных средах при температурах 800-1000°С.
[2]Известен жаропрочный сплав на основе никеля следующего химического состава, масс. %:
[3]| хром | 15-18 |
| кобальт | 8-11 |
| молибден | 0,75-2,2 |
| вольфрам | 1,8-3,0 |
| ниобий | 0,5-2,0 |
| тантал | 1-3 |
| алюминий | 3-4 |
| углерод | 0,1-0,2 |
| титан | 3-4 |
| бор | 0,01-0,05 |
| цирконий | 0,01-0,2 |
| никель | остальное |
[4](US 3459545 А, 05.08.1969).
[5]Сплав имеет недостаточно высокие характеристики длительной прочности при рабочих температурах, а также низкую коррозионную стойкость при эксплуатации в агрессивных средах, содержащих примеси серы и хлора.
[6]Известен жаропрочный сплав на основе никеля следующего химического состава, масс. %:
[7]| хром | 9,5-14 |
| кобальт | 7-11 |
| молибден | 1,0-2,5 |
| вольфрам | 3,0-4,0 |
| тантал | 1,0-4,0 |
| ниобий | до 1,0 |
| алюминий | 3,0-4,0 |
| титан | 3,0-5,0 |
| титан и алюминий | 6,5-8,0 |
| бор | 0,005-0,05 |
| цирконий | 0,01-0,25 |
| углерод | 0,02-0,25 |
| никель | остальное |
[8](US 3619182 А, 09.11.1971).
[9]Сплав имеет достаточно высокие прочностные и пластические характеристики, но отличается пониженной структурной стабильностью при длительной работе (свыше 500 часов), что связано с выпадением в условиях высокотемпературного воздействия охрупчивающих ТПУ-фаз (σ, μ и др.), которые существенно понижают жаропрочные свойства сплава и ограничивают ресурс работы двигателя.
[10]Отрицательное влияние ТПУ-фаз на долговременные высокотемпературные свойства жаропрочного сплава проявляется в том, что эти хрупкие фазы игольчатой морфологии являются концентраторами напряжений, на которых зарождаются микротрещины, ведущие к преждевременному разрушению деталей из данного сплава.
[11]Наиболее близким аналогом является жаропрочный сплав на основе никеля для литья рабочих лопаток газотурбинных установок, содержащий, масс. %:
[12]| углерод | 0,13-0,165 |
| хром | 22-22,6 |
| кобальт | 18,5-19,4 |
| титан | 3,6-3,8 |
| вольфрам | 1,9-2,2 |
| алюминий | 1,8-2,1 |
| тантал | 1,0-1,5 |
| цирконий | 0,08-0,12 |
| бор | 0,008-0,012 |
| ниобий | 0,8-1,2 |
| церий | 0,01-0,2 |
| никель | остальное |
[13](High Temperature Alloys For Gas Turbines «Program Conference Liege» 04-06 October 1982, pp. 369-393).
[14]Сплав, взятый за прототип, имеет невысокие характеристики длительной прочности, сульфидно-оксидной и хлоридной стойкости при температурах 800-1000°С, а также пониженную структурную стабильность.
[15]Таким образом, известные сплавы при рабочих температурах 800-1000°С не обладают оптимальным сочетанием служебных свойств (длительная прочность, сопротивление высокотемпературной коррозии, структурная стабильность в процессе эксплуатации), а также технологичностью при отливке деталей.
[16]Задачей предложенного изобретения является разработка структурно-стабильного литейного жаропрочного сплава на основе никеля с улучшенными служебными свойствами.
[17]Техническим результатом предложенного изобретения является повышение длительной прочности, сульфидно-оксидной и хлоридной коррозионной стойкости и структурной стабильности сплава при температуре 850°С, а также его технологичности.
[18]Для достижения технического результата предложен литейный жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, титан, вольфрам, алюминий, тантал, цирконий, бор, ниобий, лантан, барий при следующем соотношении компонентов, масс. %:
[19]| углерод | 0,10-0,20 |
| хром | 21,5-23,5 |
| кобальт | 18,0-20,0 |
| титан | 3,0-4,5 |
| вольфрам | 1,0-3,0 |
| алюминий | 1,0-3,0 |
| тантал | 0,8-2,5 |
| цирконий | до 0,15 |
| бор | до 0,020 |
| ниобий | 0,5-1,5 |
| лантан | до 0,20 |
| барий | до 0,10 |
| никель | остальное. |
[20]Предпочтительное суммарное содержание алюминия и титана в сплаве составляет 4,9-6,0 масс. %.
[21]Также предложено изделие, выполненное из данного сплава.
[22]По сравнению со сплавом-прототипом в предлагаемом сплаве вместо церия введен лантан. Лантан обладает наибольшей величиной атомного и ковалентного радиусов среди лантаноидов, благодаря чему он более надежно блокирует вакантные места в кристаллической решетке сплава и тем самым замедляет диффузионные процессы в условиях высокотемпературной ползучести. За счет замедления скорости разупрочнения сплава повышается его длительная прочность и структурная стабильность.
[23]Было установлено, что введение в сплав лантана (вместо церия) более эффективно для понижения скорости высокотемпературной сульфидно-оксидной и хлоридной коррозии за счет ослабления скорости диффузионных потоков ионов серы, хлора и кислорода через поверхность раздела металл-оксидная пленка.
[24]Давление пара лантана при температуре 1600°С почти в 2 раза ниже, чем у церия (0,88 и 1,6 Па соответственно), т.е. в условиях плавки сплава в вакууме лантан будет удаляться из расплава в 2 раза медленнее и тем самым он более продолжительное время будет находиться в расплаве и эффективно положительно влиять на весь комплекс свойств сплава.
[25]Барий, в отличие от других щелочноземельных металлов - кальция и магния, имеет более низкое давление пара при температурах плавки, что позволяет эффективно его использовать для раскисления расплава перед присадкой лантана и тем самым стабилизировать его усвоение.
[26]Таким образом, введение бария и лантана повышает технологичность данного сплава.
[27]Ограничение суммарного содержания алюминия и титана в диапазоне 4,9-6,0 масс. % обеспечивает хорошую свариваемость сплава и дополнительно повышает его жаропрочность за счет формирования необходимого количества упрочняющей γ'-фазы.
[28]Пример осуществления.
[29]В вакуумной индукционной печи ВИАМ2002 было выплавлено пять плавок предлагаемого сплава и одна плавка сплава, взятого за прототип. Масса каждой плавки составляла 10 кг. Все плавки были переплавлены в плавильно-заливочной установке УППФ-У и отлиты блоки с заготовками под образцы с равноосной структурой.
[30]После проведения термической обработки из заготовок были изготовлены образцы для испытаний на длительную прочность, а также образцы для испытаний на сульфидно-оксидную и хлоридную коррозию.
[31]Химические составы образцов сплавов приведены в таблице 1.
[32]Испытания на длительную прочность проводили при температуре 850°С и напряжениях 350 и 220 МПа на базе 50-100 часов и 800-1000 часов соответственно. От каждой плавки было испытано по два образца. Результаты испытаний приведены в таблице 2.
[33]Испытания на коррозию проводили по циклическому режиму. Один цикл испытаний включал:
[34]- 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);
[35]- выдержку образцов при Т=850°С в течение 1 часа в нагревательной печи;
[36]- охлаждение на воздухе.
[37]Общая продолжительность испытаний - 30 циклов.
[38]Оценку стойкости образцов к коррозии проводили по удельному изменению (убыли) массы путем взвешивания образцов через каждые 5 циклов.
[39]На каждый вид испытаний на коррозию было изготовлено по 6 образцов. Усредненные результаты испытаний по 6-и образцам приведены в таблице 2.
[40]Полученные результаты показывают, что долговечность предлагаемого сплава при испытаниях на длительную прочность при повышенных температурах заметно превосходят свойства сплава - прототипа, т.е. предлагаемый сплав отличается более высоким уровнем длительной прочности, при этом соблюдение суммарного содержания алюминия и титана в диапазоне 4,9-6,0 масс. % (примеры 1-5) дополнительно повышает его жаростойкость: время до разрушения при испытании на длительную прочность увеличилось на 5-20 часов при Т=850°С, σ=350 МПа, и на 30-180 часов при Т=850°С, σ=220 МПа.
[41]Предлагаемый сплав обладает высокой коррозионной стойкостью при температуре испытаний 850°С. Как видно из таблицы 2, удельное изменение (убыль) массы образцов как при сульфидно-оксидной, так и при хлоридной коррозии в 1,5-2 раза меньше, чем у сплава-прототипа.
[42]При проведении контроля качества литых деталей из предлагаемого сплава микропористость в них практически отсутствует, что свидетельствует о высокой технологичности сплава.
[43]После проведения испытаний на длительную прочность при температуре 850°С и напряжении 220 МПа на базе 800-1000 часов была исследована микроструктура разрушенных образцов. Металлографический анализ подтвердил отсутствие охрупчивающих ТПУ-фаз (σ, μ и др.), что свидетельствует о высокой фазовой и структурной стабильности предлагаемого сплава.
[44]Таким образом, предлагаемый сплав существенно превосходит известный сплав по длительной прочности, а также по высокотемпературной коррозионной стойкости. Сплав обладает структурно-фазовой стабильностью при эксплуатации, что позволяет повысить ресурс работы и надежность изделий газотурбинных двигателей и установок, длительно работающих в агрессивных средах при повышенных температурах и напряжениях.
[45]
[46]* элементы в сплаве присутствуют, но в меньшем количестве, нежели предел чувствительности метода определения концентрации компонентов (менее 0,00005 масс. %)
[47]
