Монокристальный жаропрочный никелевый сплав с малой плотностью

 

Областью использования изобретения является металлургия, а именно, изыскание жаропрочного сплава на никелевой основе для изготовления монокристальных деталей газовых турбин с рабочими температурами доя 1100°С, отлитых преимущественно с кристаллографической ориентацией [001]. Сплав содержит указанные компоненты в следующем соотношении, мас.%: кобальт 4,8 - 7,0; хром 4,8 - 7,0; титан 1,8 - 4,2; алюминий 5,2 - 5,8; вольфрам 2,0 - 5,2; молибден 1,8 - 4,2; ниобий 0,4 - 1,0; тантал 0,001 - 4,2; никель - остальное, при соблюдении условия 12,3 ≅ Cr + 0,5 Mo + 0,25W + Al ≅ 14,7. Сплав обеспечивает удельную жаропрочность при 1000°С за 500 ч; σ_уд= 21 - 23·10²м. 1 табл.

Изобретение относится к металлургии, а именно к изысканию жаропрочного сплава на никелевой основе для изготовления монокристальных деталей газовых турбин с рабочими температурами до 1100^оС, отлитых преимущественно с кристаллографической ориентацией [001].

Известны монокристальные жаропрочные никелевые сплавы с малой ( 8,4 г/см³) плотностью, например: сплав [1] следующего состава, мас.%: Хром 7,0-13,0 Алюминий 5,0-7,0 Титан 2,0-5,0 Кобальт 4,0-16,0 Молибден и(или) 1,0-4,0 Рений Ванадий 0-2,0 Углерод 0-0,05 Никель Остальное сплав [2] следующего состава, мас.%: Хром 9,5-10,3 Кобальт 4,7-5,3 Молибден 2,8-3,2 Алюминий 4,7-4,9 Титан 4,6-4,8 Тантал 1,8-2,2 Вольфрам 0,1 мах Углерод 150 ppm max Бор 50 ppm max Цирконий 100 ppm max Гафний 0-0,12 Алюминий + титан 9,3-9,7 Никель Остальное Однако указанные сплавы обладают недостаточной удельной жаропрочностью, что объясняется не полностью скомпенсированным химическим составом сплавов.

Наиболее близким к предлагаемому сплаву является монокристальный жаропрочный никелевый сплав с малой плотностью. Сплав [3] имеет следующий химический состав, мас.%: Кобальт 5,0-7,0 Вольфрам 3,0-5,0 Ниобий 0-0,5 Хром 5,0-10,0 Алюминий 6,0-7,5 Тантал 2,0-4,0 Молибден 0,5-2,5 Титан 1,5-2,25 Ванадий 0,3-0,6 Никель Остальное при соблюдении соотношения S₁ = 0,5W + Ta + Mo S₂ = Al + Ti + Ta + Nb + V, при этом 4 ≅ S₁ ≅ 9, предпочтительно 5,5 ≅ S₁ ≅ 9 мас.%, 14,9 ≅ S₂ ≅ 20,6 ат.%, предпочтительно 16,5 ≅ S₂ ≅ 18,5 ат.%.

Этот сплав также применяется для изготовления монокристальных деталей ГТД и обладает более высокой удельной жаропрочностью. Он имеет следующую удельную жаропрочность при 1000^оС за 500 ч: σ^гл_уд · 10^-2= = 21,18 м. . Однако он не удовлетворяет требованиям по удельной жаропрочности в условиях концентрации напряжений (σ_уд.^н.), в которых работают реальные изделия (например монокристальная рабочая лопатка) современных ГТД. При этом недостаточный уровень прочностного (K_σ) коэффициента, учитывающего влияние концентрации напряжений на длительную прочность, не позволяет реализовать высокую удельную жаропрочность материала в конструкциях сложной формы с развитой внутренней полостью.

Целью изобретения является повышение удельной жаропрочности материала изделий, работающего в условиях концентрации напряжений при сохранении уровня удельной жаропрочности. Поставленная цель достигается тем, что монокристальный жаропрочный никелевый сплав с малой плотностью, содержащий кобальт, хром, титан, алюминий, вольфрам, молибден, ниобий, тантал, согласно изобретению содержит указанные компоненты в следующем соотношении, мас.%: Кобальт 4,8-7,0 Хром 4,8-7,0 Титан 1,8-4,2 Алюминий 5,2-5,8 Вольфрам 2,0-5,2 Молибден 1,8-4,2 Ниобий 0,4-1,0 Тантал 0,001-4,2 Никель Остальное при соблюдении условия 12,3 ≅ Cr + 0,5Mo + 0,25W + Al≅ 14,7.

Изменение состава сплава и ограничение суммы элементов: как γ^I-образующего (алюминия), так и элементов, ответственных за склонность к образованию в условиях длительной наработки при высоких температурах топологически плотноупакованных (ТПУ)-фаз (хрома, молибдена, вольфрама) приводит к высокой термической стабильности сплава при регламентации его плотности и сохранении высокого упрочняющего эффекта от выделений вторичной γ^I -фазы. Подобный положительный эффект достигается благодаря скомпенсированному химическому составу сплава, способствующему выделению γ^I -и γ -фаз таких составов, при которых, во-первых, в процессе длительного действия статических нагрузок при высоких рабочих температурах твердый раствор остается стабильным (без образования ТПУ-фаз: σ - и μ -фаз), а, во-вторых, частицы упрочняющей γ^I-фазы имеют оптимальную кубоидную морфологию, обусловленную положительным несоответствием параметров решеток γ - и γ^I -фаз.

Изменение химического состава сплава и регламентация суммарного содержания указанных элементов являются существенным, так как отсутствуют в известных технических решениях и дают положительный эффект.

При нарушении заявляемого соотношения элементов и несоблюдении указанных условий происходит либо выделение ТПУ-фаз, имеющих морфологию пластин (в сечении шлифа-игл), либо снижение удельной жаропрочности. Сплав при наличии пластин ТПУ-фаз, являющихся концентраторами напряжений, становится чувствительным к внешним надрезам и др. концентраторам напряжений, таким, как, например, штырьки, перемычки и др. элементы внутренней полости охлаждаемой рабочей лопатки или зуб замка лопатки. Кроме того, в результате протекания диффузионного массопереноса, имеющего место в случае образования в процессе наработки избыточных ТПУ-фаз, снижается также и удельная жаропрочность сплава вследствие его термической нестабильности.

Несоблюдение соотношения между компонентами может также привести к увеличению плотности сплава и, как следствие, к снижению его удельной жаропрочности.

П р и м е р. Предлагаемый сплав выплавляли в вакуумно-индукционной печи при разрежении 10^-2-10^2-3 мм рт., а затем переплавляли в печи для направленной кристаллизации с применением затравок с кристаллографической ориентацией [001]. Аналогично выплавляли сплав-прототип. Было выплавлено 9 плавок и 1 плавка сплава-прототипа. Химический состав плавок и их свойства приведены в таблице (составы 1-4 - предлагаемые; составы 5-9 - запредельные; состав 10 - прототип).

Принятые в таблице условные обозначения: S, мас.% = Cr + 0,5Mo + 0,25W + Al; σ₅₀₀^гл, МПа - предел длительной прочности гладких образцов на базе 500 ч при Т_{испытания} = 1000^оС; σ₅₀₀^н, МПа - предел длительной прочности при аналогичных условиях испытания образцов с надрезом (теоретический коэффициент концентрации напряжений α = 3,75; параметры V-образного кольцевого надреза: h - глубина надреза равна 1 мм; ϕ - угол раскрытия надреза равен ; r - радиус в вершине надреза равен 0,15 мм); ρ , г/см³ - плотность сплава, σ_уд^гл и σ_уд^н, м - удельная жаропрочность при 1000^оС на базе 500 ч соответственно гладких образцов и образцов с надрезом,
K = - прочностной коэффициент.

Как следует из результатов испытаний, приведенных в таблице, максимальная удельная жаропрочность и жаропрочность в условиях концентрации напряжений достигаются лишь в тех случаях, когда содержание легирующих элементов и сумма S находятся в заявляемых пределах (примеры 1-4). При этом отсутствуют игольчатые выделения ТПУ-фаз, выделения γ^I-фазы имеют кубоидную морфологию, что наряду с низкой плотностью сплава ведет к его достаточно высокой удельной жаропрочности.

Из сопоставления данных таблицы следует, что повышение уровня жаропрочности в условиях концентрации напряжений (образцов с надрезом) при сохранении уровня удельной жаропрочности существенно зависит от суммы S: при превышении указанной суммы в структуре сплава наблюдается выделения ТПУ-фаз ( σ, μ -фаз), приводящих к снижению удельной жаропрочности в условиях концентрации напряжений и снижению K_σ (примеры 6, 7 и 10); если сумма S имеет значения менее указанных пределов, а при соответствии S содержание легирующих компонентов в целом не соответствует указанным, то происходит снижение уровня удельной жаропрочности (примеры 5, 8 и 9).

Таким образом, предлагаемый сплав обладает более высокой удельной жаропрочностью в условиях концентрации напряжений и длительной наработки в составе реальных изделий сложной конфигурации. Этот прирост составляет 7,8-16,4%, что дает возможность весьма значительно повысить ресурс изделий. Учитывая, что жаропрочные сплавы с малой плотностью наиболее эффективно использовались для деталей ответственного назначения современных и перспективных двигателей летальных аппаратов, повышение удельной жаропрочности и снижение чувствительности к концентрации напряжений кардинально решает проблему повышения их надежности и ресурса.

Формула изобретения

МОНОКРИСТАЛЬНЫЙ ЖАРОПРОЧНЫЙ НИКЕЛЕВЫЙ СПЛАВ С МАЛОЙ ПЛОТНОСТЬЮ, содержащий кобальт, хром, титан, алюминий, вольфрам, молибден, ниобий, тантал, отличающийся тем, что, с целью повышения удельной жаропрочности в условиях концентрации напряжений, при сохранении уровня удельной жаропрочности сплав содержит указанные компоненты в следующем соотношении, мас.%:
Кобальт - 4,8 - 7,0
Хром - 4,8 - 7,0
Титан - 1,8 - 4,2
Алюминий - 5,2 - 5,8
Вольфрам - 2,0 - 5,2
Молибден - 1,8 - 4,2
Ниобий - 0,4 - 1,0
Тантал - 0,001 - 4,2
Никель - Остальное
и при соблюдении условия
12,3 ≅ Cr + 0,5 Mo + 0,25 W + Al≅ 14,7.

РИСУНКИ

Рисунок 1