патент
№ RU 2434069
МПК C22C19/05

ЛИТЕЙНЫЙ ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ

Авторы:
Петрушин Николай Васильевич Оспенникова Ольга Геннадиевна Митрушкин Алексей Анатольевич
Все (12)
Номер заявки
2010140693/02
Дата подачи заявки
05.10.2010
Опубликовано
20.11.2011
Страна
RU
Дата приоритета
27.05.2024
Номер приоритета
Страна приоритета
Как управлять
интеллектуальной собственностью
Реферат

Изобретение относится к металлургии сплавов, в частности к производству никелевых жаропрочных сплавов с поликристаллической равноосной структурой и изготовлению из них деталей газотурбинных двигателей, например сопловых и рабочих лопаток газовых турбин и роторов. Литейный жаропрочный сплав на основе никеля имеет следующий химический состав, мас.%: хром 7,8-9,0, вольфрам 1,0-3,2, алюминий 5,0-5,8, титан 3,1-4,1, кобальт 9,5-12,5, цирконий 0,01-0,05, бор 0,008-0,04, углерод 0,08-0,16, молибден 2,8-4,2, церий 0,002-0,02, иттрий 0,0015-0,01, кальций 0,001-0,01, лантан 0,002-0,02, тантал 2,0-3,4, магний 0,001-0,01, никель - остальное. Технический результат - получение сплава с поликристаллической равноосной структурой и низкой плотностью, обладающего повышенными характеристиками длительной прочности и пластичности. 2 табл.

Формула изобретения

Литейный жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий хром, вольфрам, алюминий, титан, кобальт, цирконий, бор, углерод, молибден, церий, иттрий, кальций, лантан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит тантал и магний при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Хром7,8-9,0
Вольфрам1,0-3,2
Алюминий5,0-5,8
Титан3,1-4,1
Кобальт9,5-12,5
Цирконий0,01-0,05
Бор0,008-0,04
Углерод0,08-0,16
Молибден2,8-4,2
Церий0,002-0,02
Иттрий0,0015-0,01
Кальций0,001-0,01
Лантан0,002-0,02
Тантал2,0-3,4
Магний0,001-0,01
Никельостальное

Описание

Изобретение относится к металлургии сплавов, в частности к производству никелевых жаропрочных сплавов с поликристаллической равноосной структурой и изготовлению из них деталей газотурбинных двигателей, например сопловых и рабочих лопаток газовых турбин и роторов.

Известен литейный жаропрочный сплав на никелевой основе следующего химического состава, мас.%:

Хром8,75-10,25
Вольфрам11,0-16,0
По крайней мере, один элемент
из группы, включающей
ниобий или тантал или их
суммарное содержание0,8-1,8
Алюминий4,75-5,5
Титан0,75-2,5
Кобальт8,0-12,0
По крайней мере, один элемент
из группы, включающей
цирконий и0,03-0,12
бор0,01-0,03
Углерод0,12-0,17
Железодо 1,5
Кремнийдо 0,10
Марганецдо 0,10
Молибдендо 3,0
Никель50,0-77,0

при соблюдении условия: 1Х% Cr+1,1Х% W+3,4X% Nb или Ta+4,3X% Ti+6Х% Al=60-70 (патент США №3164465).

Известный сплав с поликристаллической равноосной структурой имеет довольно высокую жаропрочность, Анализ свойств сплава, приведенных в патенте, показал, что при рабочей температуре 900°С сплав имеет длительную прочность за 100 ч, равную 350-380 МПа, плотность известного сплава 8,44 г/см3. Однако известный сплав имеет недостаточную пластичность (при комнатной температуре относительное удлинение при растяжении составляет 0,8-4,1%, предел прочности равен 836-1088 МПа), что не позволяет использовать его для изготовления сложных отливок, в частности роторов газотурбинных двигателей нового поколения.

Известен литейный жаропрочный сплав на никелевой основе следующего химического состава, мас.%:

Хром7,0-14,0
Вольфрам9,0-12,0
Ниобий0,5-4,0
Алюминий4,0-6,0
Титан1,0-4,0
Кобальт8,0-15,0
Цирконий0,01-0,10
Бор0,005-0,07
Углерод0,05-0,2
Молибден0,7-3,0
Церий0,002-0,025
Один элемент из группы,
включающей иттрий и0,0013-0,0085
скандий
Никельостальное

при условии, что отношение концентраций Се и одного элемента из группы, включающей иттрий и скандий, равно 1,5/3,0 (патент РФ №2070597).

Известный сплав с поликристаллической равноосной структурой обладает достаточно высокими характеристиками длительной прочности. Например, при рабочей температуре 975°С время до разрушения сплава предпочтительного состава при испытании на длительную прочность при напряжении 230 МПа составляет 60-70 ч, при напряжении 200 МПа - 90-135 ч, при рабочей температуре 1050°С и напряжении 110 МПа - 105-160 ч. Плотность известного сплава равна 8,42 г/см3.

Дополнительные исследования показали, что этот сплав, так же как и американский сплав, имеет недостаточную пластичность (при комнатной температуре относительное удлинение при растяжении составляет 3,0-5,0%, предел прочности 900-1000 МПа). Кроме того, значение параметра, характеризующего склонность жаропрочных никелевых сплавов к фазовой нестабильности, (где Zi, Ai, Ei - соответственно концентрация, атомная масса и количество валентных электронов i-го компонента (sp-электроны алюминия, ds-электроны переходных металлов), n - число компонентов сплава, включая основу), рассчитанное по предпочтительному химическому составу сплава, составляет минус 0,164, что по абсолютной величине больше критического значения этого параметра. Следовательно, при длительном высокотемпературном воздействии известный сплав склонен к выделению вредных пластинчатой формы карбидных типа М6С и интерметаллидных ТПУ фаз; например, их объемная доля в структуре материала турбинной лопатки из этого сплава после 1000 ч наработки может достигать более 5%, что значительно уменьшает ее дальнейшую работоспособность.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является литейный жаропрочный сплав на основе никеля следующего химического состава, мас.%:

Хром6,5-10,5
Вольфрам1,0-1,8
Ниобий0,5-1,0
Алюминий4,8-5,7
Титан4,2-4,7
Кобальт6,0-10,0
Цирконий0,01-0,02
Бор0,005-0,015
Углерод0,06-0,2
Молибден2,7-4,0
Церий0,002-0,015
Один элемент из группы,
включающей иттрий и0,0015-0,01
скандий
Ванадий0,1-1,0
Кальций0,001-0,015
Лантан0,002-0,02
Никельостальное

(патент РФ №2153020).

Известный литейный сплав с равноосной структурой и плотностью 7,78-7,81 г/см3 имеет высокую фазовую стабильность, хорошие литейные свойства и повышенное сопротивление термоусталости. Удельная длительная прочность известного сплава σ40975/d составляет 26,88-26,99 МПа/(г/см3). Однако дополнительные исследования показали, что сплав-прототип обладает недостаточно высокими характеристиками долговременной длительной прочности и пластичности при растяжении.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание литейного жаропрочного сплава на основе никеля с поликристаллической равноосной структурой с плотностью 8,1-8,3 г/см3 и повышенными характеристиками кратковременной прочности, жаропрочности и фазовой стабильности.

Для достижения поставленной технической задачи предложен литейный жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий хром, вольфрам, алюминий, титан, кобальт, цирконий, бор, углерод, молибден, церий, иттрий, кальций, лантан, в который дополнительно введены тантал и магний, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Хром7,8-9,0
Вольфрам1,0-3,2
Алюминий5,0-5,8
Титан3,1-4,1
Кобальт9,5-12,5
Цирконий0,01-0,05
Бор0,008-0,04
Углерод0,08-0,16
Молибден2,8-4,2
Церий0,002-0,02
Иттрий0,0015-0,01
Кальций0,001-0,01
Лантан0,002-0,02
Тантал2,0-3,4
Магний0,001-0,01
Никельостальное.

Повышение жаропрочности предложенного сплава достигается за счет введения тантала при сбалансированном соотношении между суммарным содержанием γ-стабилизирующих (Cr, Mo, W) и γ'-образующих (Al, Ti, Та) легирующих элементов, которое приводит к повышению температуры полного растворения упрочняющих частиц γ'-фазы в матричном γ-твердом растворе. В результате повышается максимальная рабочая температура и долговечность сплава. Исследованиями методами дифференциального термического микрорентгеноспектрального анализа было обнаружено физическое явление, состоящее в том, что при образовании карбидной фазы МеС в температурном интервале кристаллизации заявляемого сплава с указанным соотношением компонентов атомы Та, введенного в сплав, вытесняют из химического состава карбидов МеС присутствующие в сплаве атомы Cr, Мо, W и тем самым повышают начальную температуру образования этой фазы. В результате форма и распределение карбидных частиц в структуре сплава изменяются в благоприятную сторону, что приводит к увеличению характеристик кратковременной прочности. Кроме того, легирование заявляемого сплава танталом затрудняет при рабочих температурах протекание дестабилизирующей твердофазной реакции типа МеС→Ме6С+γ', а также усиливает сопротивление сплава высокотемпературной коррозии, что способствует повышению длительной прочности и пластичности.

Введение магния в предлагаемый литейный жаропрочный сплав на основе никеля с низкой плотностью при указанном соотношении компонентов используется для стабилизации при литье поликристаллической равноосной структуры изделий из сплава, упрочнения межзеренных границ и повышения жаростойкости, что приводит к увеличению пластичности и сопротивления длительной высокотемпературной ползучести.

Титан и ниобий в никелевых жаропрочных сплавах, имея коэффициенты распределения меньше единицы, в процессе кристаллизации обогащают междендритные области отливок. Поэтому наличие ниобия и повышенное содержание титана в составе литейных жаропрочных никелевых сплавов приводят к образованию повышенного количества неравновесной эвтектики γ-γ' и, соответственно, ухудшают их технологические свойства, в частности приводят к появлению «горячих» микротрещин при литье изделий сложной формы. Исключение ниобия и уменьшение содержания титана в предлагаемом сплаве при заявленном соотношении компонентов способствуют понижению в литой структуре отливок из сплава доли выделений неравновесной эвтектики γ-γ'. В результате повышаются технологические свойства сплава.

Исключение ванадия из состава предлагаемого сплава улучшает сопротивление окислению и коррозии при рабочих температурах сплава.

Пример осуществления

В вакуумной индукционной печи были выплавлены четыре сплава предлагаемого состава и один сплав предпочтительного состава, взятый за прототип. Содержание компонентов (мас.%) в композициях сплавов приведено в таблице 1. Затем эти сплавы переплавляли в вакуумной печи и получали цилиндрические отливки образцов с поликристаллической равноосной структурой диаметром 16 мм и длиной 70 мм. Далее из этих отливок изготавливали образцы для дифференциального термического анализа, микрорентгеноспектрального анализа и количественной металлографии, по результатам которых определяли температуру полного растворения упрочняющей γ'-фазы в γ-матрице, солидус, температуру начального образования карбидов МеС при кристаллизации сплава и объемную долю выделений неравновесной эвтектики γ-γ'. С учетом этих температур полученные отливки образцов подвергали термической обработке, включающей гомогенизирующий отжиг и двухступенчатое старение. Из термообработанных отливок изготавливали образцы для механических испытаний (расчетная рабочая длина 25 мм, диаметр 5 мм), по результатам которых определяли характеристики кратковременной и длительной прочности.

Испытания на растяжение проводили при комнатной температуре, испытания на длительную прочность проводили на воздухе при температуре 900°С и напряжении 350 и 330 МПа.

Полученные характеристики композиций сплава-прототипа и заявляемого сплава приведены в таблице 2.

Как видно из таблицы 2, предлагаемый сплав имеет более высокие значения температуры полного растворения γ'-фазы в γ-твердом растворе и начала образования карбидов МеС при кристаллизации, а также меньшую долю неравновесной эвтектики γ-γ', чем сплав, взятый за прототип. Кроме того, значения параметра ΔE, характеризующие фазовую стабильность предлагаемого сплава, меньше критических, что свидетельствует об отсутствии склонности его к образованию вредных ТПУ фаз. Характеристики кратковременной прочности - относительное удлинение при комнатной температуре больше в 1,4 раза, длительной прочности - долговечность (время до разрушения) при температуре 900°С предлагаемого сплава в 3 раза больше, чем сплава, взятого за прототип. Плотность предлагаемого сплава составляет 8,09-8,20 г/см3.

Таким образом, предлагаемый литейный жаропрочный сплав на основе никеля с поликристаллической равноосной структурой и низкой плотностью значительно превосходит сплав-прототип по характеристикам длительной прочности и пластичности, что позволяет его рекомендовать для производства турбинных лопаток и других деталей ГТД длительного ресурса.

Как компенсировать расходы
на инновационную разработку
Похожие патенты