Жаропрочный сплав на основе никеля
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (яis С .22. С 19/05
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ
jC) фь.
ГОСУДАРСТВ Е Н Н О Е ПАТЕ HTHOE
ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) (21) 3435471/02 (22) .14,05,82 (46) 07.07.93. Бюл, Р 25 (71) Запорожский машиностроительный институт им. В.Я,Чубаря (72) А.Г.Андриенко, С.Б,Беликов, А,B,Áoðîâñêèé, Н,Н.Грибов, Г,И,Дудник, А.Д.Коваль, Е,Н.Масалева, Г,Ф.Ияльница, А.Б.Натапова, E,Ê,Ïècàрев, Е.И.Розанов, В.И,Романов, В.В.Ртищев, Б.В.Сизов, Я.Е,Чивиксин, Б,И,Чирков и И,И.Иопов (54) (57) ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ
НИКЕЛЯ, содержащий углерод, хром„ кобальт, вольфрам, молибден, титан, алюминий, бор, о т л и ч а ю щ и йИзобретение относится к металлургии сплавов, а именно жаропрочных литейных сплавов на основе никеля, В металлургии известны сплавы, содержащие в качестве основы никель, а также хром, кобальт, вольфрам, молиб-ден, титан, алюминий, служащие для изготовления газовых турбин энергетических установок, авиационных и судовых двигателей, Известные сплавы характеризуются неудовлетворительным сочетанием свойств, таких, как, длительная прочность, пластичность, термическая усталость, высокотемпературная коррозионйая стойкость и не удов.летворяют требованиям, предъявляемым условиями эксплуатации современных и перспективных газотурбинных установок (ГТУ).
„5U„, 1072497 А1 с я .тем, что, с целью повышения корроз ион ной стой кости и соп роти вления термической усталости, он дополнительно содержит иттрий и лантан при следующем соотношении компонентов, ма с.,",.
Углерод 0,07 О,l5
Хром l2, 5-14
Кобальт 4-6
Вольфрам 6,5-8
Молибден 0,5-1 25
Титан 4-5,5
Алюминий 2,8-4
Бор 0,01-0,05
Иттрий 0,03-0,05
Лантан 0,005-0,02
Никель Остальное
Известен жаропрочный сплав на основе никеля, предназначенный для изготовления деталей газотурбинных двигателей (ГТД), который содержит указанные ингредиенты в следующих количествах, мас. 0:
Хр 12,5-14,0
Кобальт 4,0-6,0
Вольфрам 4,0-6,0
Молибден l,5-2,5
Алюминий 2,8-3>2
Титан ",5-5,5
Углерод 0,07-0,15
Бор 0,01-0,05 Церий 0,02-0,05
Ниобий 0,05-1,0
Кальций 0 005-0,01
Цирконий 0 005-0,01
Никель Остальное
1072497
0,07-0115
12,5-14,0
Примеси:
Кремний 0,4
Иарганец 0,4
Сера не более. 0,015
Фосфор не более 0,015, Сплав характеризуется длительной пластичностью при 800 С эа время исеор пытаний с . = 1000 ч S1р р = 3"54 и пределом термической усталости, оп,ределяемой числом циклов до появления первой визуальной трещины на клиновых образцах (300 С 1050 С, при скорости нагревания 8 = 50 /с), рав- 15 ным 1000 — 1500.
Известный сплав предназначен для изготовления деталей с равноосной структурой и, обеспечивая высокую о коррозионную стойкость при 800"950 С 2() в продуктах сгорания топлива с повышенным содержанием серы, натрия и других коррозионноактивных примесей, имеет, однако, недостаточно высокие показатели кратковременной и дли- 25 тельной пластичности, жаропрочности на больших базах испытания и термической усталости, Наиболее близким по химическому составу является жаропрочный сплав 30 на основе никеля, имеющий следующий химический состав, мас.3:
Углерод 0,06-0,1
Хром 14-16
Кобальт 8-10
Вольфрам 6,2-8
Молибден О, 2-2
Титан 3-4,4
Алюминий 3,4-5
Церий 0,015-0,02 сц)
Бор 0,01-0,015
Никель Остальное
Сплав обладает высокими характеристиками длительной прочности и пластичности, однако коррозионная 45 стойкость и сопротивление термической усталости недостаточны.
Целью предложения является повышение коррозионной стойкости и сопротивления термической усталости.
Для достижения цели жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, алюминий, бор, дополнительно содержит иттрий и лантан при следующем соотношении компонентов, маса 3:
Углерод
Хром
Кобальт 4,0"6,0
Вольфрам 6,5-8,0
Молибден 0 5" 1,25
Титан 4,0-5,5
Алюминий 2,8-4,0
Бор 0,01 0,05 ..Иттрий 0>03"0,05
Лантан 0,005-0,02
Никель Остальное
Примеси:
Кремний 0,01-0 5
Марганец 0,01-0„5
Сплав отличается от известного дополнительным введением иттрия и лантана, иным .соотношением других эле» ментов, и, в частности, более низким содержанием кобальта и хрома, отличными пределами легирования титаном, алюминия при более высоком соотношении содержаний титана и алюминия, а также отсутствием церия, Введение иттрия в количестве 0,030,05 и лантана в количестве 0,0050,02i при уменьшении содержания молибдена (не более 1,25/) позволяют повысить высокотемпературную коррозионную стойкость при 800-950 С.
Уменьшение числа границ зерен, характерное для направленно кристаллизованных структур, требует ограничения содержания элементов, сегрегируюцих по границам зерен, Понижение возможности перелегирования границ с образованием охрупчивающих и легкоплавких фаз и соответствующего понижения прочности. достигаешься в заявленном сплаве исключением добавок церия.
B. качестве верхних (8 : вольфрама, 1, 2 53 молибдена, М алюминия, О, 0 5 иттрия, 0,023 лантана) и нижних (6,54 вольфрама, 0,54 молибдена, 43 титана, 0,033 иттрия, 0,005 о лантана) преде" лов легирования вводимыми элементами выбиралась их концентрация, обеспечивающая преимущества в свойствах (термическая усталость, пластичность, длительная прочность) заявляемого сплава по сравнению со свойствами прототипа, При выборе верхних пределов легирования (84 вольфрама, 1,253 молибдена, 4,04 алюминия, 0,054 иттрия, 0,02 лантана) учитывалась максимальная совместная растворимость вводимых элементов в сплаве, контролируемая появлением в микроструктуре 1 охрупчивающих фаз неблагоприятной морфологии, Верхний и нижний пределы легирования углеродом (0,07 и 0,15i) 5 107249 хром (12 5 и 143) > кобальтом (4 и 6ь) > верхний предел легирования титаном
I (5>56) Нижний пРедел легирования алюминием (2,86) не изменены, так как в сочетании с указанным выше содержанием других легирующих элементов обеспечивают достижение удовлетвори. тельного уровня коррозионной стойкости, Для получения сплава были лодго- 10 товлены три смеси ингредиентов (табл. 1). Содержание иттрия, бора и лантана соответствует расчетному количеству этих элементов, Каждая смесь сплавлялась отдельно в вакуум- 1 .> но-индукционных печах. Полученные сплавы имели следующие характеристики пластичности.
Основные свойства предлагаемого и известного сплавов представлены в табл. 2 (для образцов с направленно кристаллизованной структурой), Заявляемый сплав характеризуется длительной пластичностью при 800 С ь 800 за время испытания 1000 ч о, = 5-103 и пределом термической усталости, определяемым числом циклов до появления первой трещины на клиновых образцах (300 С 1050 С, при ЗО скорости нагревания 6 = 50 /с), равным 2000-3000.
Как свидетельствуют приведенные данные, термическая усталость, пластичность (при кратковременных и длительных испытаниях), а также высокотемпературная коррозионная стойкость
1 предлагаемого сплава с направленно кристаллизованной структурой выше, чем у известного сплава, 1
Отмеченные преимущества позволят увеличить долговечность деталей газовых турбин íà 30-506, а также повысить температуру газа перед турбино . на 20-40 С, что эквивалентно повышению мощности ГТД на 4-63.
Таблица 1
Состав, мас.6
1 2 (3
Компонент
Углерод 0,07
0,10 0 15
14,0 13»4
4,0 5 2
0 9 0,5
6,5 8,0 г
3,4 .4,0
О, 03 0,04
0,05 0,03
0,01 0,02
Хром 12 5
Кобальт 6,0
Молибден 1,25
ВольФРам 7,5
Титан 5,0
2,8
Алюминий
Иттрий
0,05
0,01
Бор
0,005
Лантан при 20 С, длительной прочности на базе испытаний Э =- 1000 ч и термической усталости (табл, 2), Таблица 2
Предел прочн ос ти, ИПа
Температура испытаний, С
Относительное удлинение 83
Число циклов до появления * первой трещины
Предел текучести, G, „„,,МПа
Длит льная прочность, МПа с
= 1000 ч
Средняя скорость коррозии* > г/(м -с) (топливо с 1ф S) вп рыс к Ка 20 920 -1040 800 880-980 900 780-820 950 600-670 780-850 780-840 560-620 480-540 10-22 400"420 (0,12-0,35) ° 10 з 180-240 (1,15-1,3) 10-з 120- 60 (1,8"2,3) 10 з 7-15 12-20 2050-2800 12-20 Известный 800 840-890 710-750 }5"20 1590-1960 280-300 (1,34-1,46) 10 з*Я* * Данные по коррозионной стойкости получены в результате сравнительных испытаний образцов, ** Определено на клиновых образцах с направленно кристаллизованной структурой (нагрев-охлаждение 300 С 1050 С, при скорости нагревания 8 = 50 /с). *** Температура испытания 900 С, 
