Монокристаллический сплав на основе никеля

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к изысканию жаропрочного сплава на никелевой основе для изготовления монокристаллических деталей газовых турбин с рабочими температурами до 1000°С, отлитых преимущественно с кристаллографической ориентацией (III). Цель изобретения - повышение жаропрочности изделий, отлитых преимущественно с кристаллографической ориентацией (III). Сплав содержит, мас.%: хром 2,5-5,5; алюминий 5,0-6,2; титан 0,7-1,5; молибден 1,0-4,0; вольфрам 10,5-13,0; тантал 0,01-4,5; рений 1,0-2,6; кобальт 5,0-9,5; ниобий 0,7-1,5; иттрий 0,002-0,075; лантан 0,001-0,05; церий 0,001-0,05; празеодим 0,0002-0,01; неодим 0,0002-0,005; гадолиний 0,0002-0,005; скандий 0,0002-0,005; никель остальное, причем суммарное содержание иттрия, лантана, церия, празеодима, неодима, гадолиния, скандия составляет 0,01-0,1 мас.%. Сплав обеспечивает величину долговечности при 1000°С в случае кристаллографической ориентации (III) при напряжениях 30 кгс/мм²-(260³⁰-281³⁰) ч, а при напряжениях 25 кгс/мм²-(698³⁰-705) ч. 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к изысканию жаропрочного сплава на никелевой основе для изготовления монокристальных деталей газовых турбин с рабочими температурами до 1000^оС, отлитых преимущественно с кристаллографической ориентацией [III] Целью изобретения является повышение жаропрочности изделий, отлитых преимущественно с кристаллографической ориентацией [III] Изменение сплава приводит к формированию особой морфологии упрочняющей γ'-фахы, при которой ее частицы образуют лабиринт, являющийся существенным препятствием при перемещении дислокаций и замедляющий процессы ползучести при высоких рабочих температурах. Подобная формология достигается благодаря скомпенсированному химическому составу сплава, способствующему повышению (до 70%) объемной доли γ'-фазы при определенном параметре несоответствия решеток γи γ'-фаз. Изменение состава сплава является существенным, т.к. структура морфологии лабиринта привела к повышению жаропрочности для деталей, отлитых с кристаллографической ориентацией [001] При этом весьма важно, что указанная морфология упрочняющей фазы способствует резкому росту жаропрочности изделий, отлитых с кристаллографической ориентацией [III] обусловленному выстраиванием лабиринта γ'-фазы при кристаллизации под углом к действующим в процессе эксплуатации напряжениям. Введение дополнительно элементов: ниобия, иттрия, лантана, церия, празеодима, неодима, гадолиния, скандия в указанных пределах при суммарном содержании иттрия, лантана, церия, празеодима, неодима, гадолиния, скандия от 0,01 до 0,1% (по массе) способствует совершенствованию регулярной лабиринтной структуры. При меньшем содержании указанных элементов регулярность лабиринтной структуры нарушается за счет образования неметаллических включений, а при большем их суммарном содержании причиной нарушения регулярности структуры является образование интерметаллидных фаз на основе данных элементов. В обоих случаях нарушение регулярности лабиринтной структуры ведет к снижению служебных свойств. В предложенном сплаве введение указанных элементов в определенном количестве способствует, помимо раскисления сплава, формированию структуры нового типа, а именно регулярной лабиринтной структуры, что, в свою очередь, приводит к повышению жаропрочности, при этом кардинальному изменению значений этой характеристики для деталей, отлитых с кристаллографической ориентацией [III] Данные элементы в безуглеродистых монокристалльных сплавах при отсутствии карбидных фаз ликвируют в межосные пространства, где локально могут накапливаться в гораздо больших концентрациях чем их среднее содержание в сплаве. В локально обогащенных микрообъемах становится возможным образование интерметаллидных фаз на их основе, приводящих к нарушению регулярности лабиринтной структуры. В связи с этим в предложенный сплав дополнительно вводится большое число редкоземельных металлов, но в меньшем суммарном содержании, что препятствует их ликвидации и накоплению отдельных элементов в виде интерметаллидных фаз. Помимо указанных, сплав обладает дополнительными преимуществами: повышенной технологичностью при отливке деталей, обусловленной узким интервалом кристаллизации. Предложенный сплав выплавляли в вакуумной индукционной печи при разрежении 10^-2 10^-3 мм рт.ст. а затем переплавляли в печи для направленной кристаллизации с применением затравок с заданной кристаллографической ориентацией. Аналогично выплавляли известный сплав. Химический состав плавок приведен в табл. 1, полученные свойства в табл. 2. Как следует из данных табл. 1 и 2, максимальная долговечность образцов при испытании на жаропрочность достигается лишь в тех случаях, когда содержание легирующих элементов находится в предложенных пределах. При этом наблюдается регулярная лабиринтная структура сплава. При изменении морфологии упрочняющей γ'-фазы или нарушении ее регулярности время до разрушения уменьшается. Из сопоставления данных таблицы 2 следует, что предложенный сплав обладает более высокой жаропрочностью по сравнению с известным, причем для деталей, отлитых с ориентацией [III] в направлении роста, этот прирост составляет более 400% что дает возможность весьма значительно повысить ресурс изделий. Учитывая высокую стоимость производства деталей ГТД, подобное увеличение ресурса кардинально решает проблему экономии энерго-трудо-материальных ресурсов в процессе производства и эксплуатации двигателей.

Формула изобретения

МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ, содержащий хром, алюминий, титан, молибден, вольфрам, тантал, рений, кобальт, отличающийся тем, что, с целью повышения жаропрочности изделий, отлитых преимущественно с кристаллографической ориентацией (III), он дополнительно содержит ниобий, иттрий, лантан, церий, празеодим, неодим, гадолиний, скандий, при следующем соотношении компонентов, мас. Хром 2,5 5,5 Алюминий 5,0 6,2 Титан 0,7 1,5 Молибден 1,0 4,0 Вольфрам 10,5 13,0 Тантал 0,01 4,5 Рений 1,0 2,6
Кобальт 5,0 9,5
Ниобий 0,7 1,5
Иттрий 0,002 0,075
Лантан 0,001 0,05
Церий 0,001 0,05
Празеодим 0,0002 0,01
Неодим 0,0002 0,005
Гадолиний 0,0002 0,005
Скандий 0,0002 0,005
Никель Остальное
причем суммарное содержание иттрия, лантана, церия, празеодима, неодима, гадолиния, скандия составляет 0,01-0,1 мас.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2