Жаропрочный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него

 

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для получения методом направленной кристаллизации деталей высокотемпературных узлов, преимущественно турбинных лопаток с монокристальной структурой в газотурбинных двигателях и установках. Предложен жаропрочный литейный сплав и изделие, выполненное из него, содержащие следующие компоненты, мас.%: углерод 0,005-0,07, хром 12,5-14,5, кобальт 8,0-10,0, вольфрам 3,5-5,5, молибден 0,8-2,2, титан 3,4-4,3, алюминий 3,5-4,8, тантал 0,5-2,5, рений 0,8-2,0, бор 0,001-0,02, иттрий 0,005-0,05, никель - остальное. Техническим результатом изобретения является разработка жаропрочного литейного никелевого сплава, обладающего высоким сопротивлением горячей коррозии и технологичностью при монокристаллическом литье в сочетании с высоким уровнем жаропрочности. 2 с. п.ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для получения методом направленной кристаллизации деталей высокотемпературных узлов, преимущественно турбинных лопаток с монокристальной структурой в газотурбинных двигателях и установках.

В металлургии широко известны литейные жаропрочные сплавы на основе никеля, содержащие рений и тантал, обладающие высоким уровнем длительной прочности, например сплавы CMSX-4, ЖС36, применяемые в газотурбинных двигателях авиационного назначения [патент США 4643782, патент РФ 1513934]. Известны также сплавы на той же основе, отличающиеся высоким сопротивлением коррозии в продуктах сгорания природного топлива, применяемые для деталей энергетических и газоперекачивающих стационарных газотурбинных установок, например отечественный сплав ЖСКС-1 [патент РФ 2131944].

Сплавы CMSX-4 и ЖС36 используется для получения отливок, преимущественно турбинных лопаток, с монокристаллической структурой заданной кристаллографической ориентации, обычно [001]. Эти сплавы имеют высокие показатели длительной прочности, однако из-за малого сопротивления горячей коррозии не могут быть применены в качестве материала для лопаток стационарных газотурбинных установок. В этих установках в отличие от авиационных ГТД используется обычное, неочищенное топливо и поэтому требования по сопротивлению горячей коррозии приобретают решающее значение.

Наиболее близким по химическому составу и назначению к предлагаемому изобретению является жаропрочный литейный сплав, имеющий химический состав при следующем соотношении компонентов, мас.%: Углерод - 0,05 Хром - 14,0 Кобальт - 9,5 Вольфрам - 3,8 Молибден - 1,5 Титан - 3,0-4,8 Алюминий - 3,0-4,8 Тантал - 2,0 Рений - 1,0-3,0
Бор - 0,004
Никель - Остальное
(заявка ЕР 0490527).

Сплав-прототип применяется для получения отливок лопаток с монокристаллической структурой.

К недостаткам сплава-прототипа следует отнести его недостаточную технологичность при монокристаллическом литье, в частности он склонен к образованию посторонних зерен в процессе роста, что приводит к достаточно низкому выходу годного лопаток ГТД и ГТУ.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка жаропрочного литейного никелевого сплава, обладающего высоким сопротивлением горячей коррозии и технологичностью при монокристаллическом литье в сочетании с высоким уровнем жаропрочности для производства методом направленной кристаллизации деталей высокотемпературных узлов, преимущественно турбинных лопаток с монокристаллической структурой для газотурбинных двигателей и установок.

Для достижения поставленной цели предлагается жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, алюминий, тантал, рений, бор, отличающийся тем, что он дополнительно содержит иттрий, при следующем соотношении элементов, мас.%:
Углерод - 0,005-0,07
Хром - 12,5-14,5
Кобальт - 8,0-10,0
Вольфрам - 3,5-5,5
Молибден - 0,8-2,2
Титан - 3,4-4,3
Алюминий - 3,5-4,8
Тантал - 0,5-2,5
Рений - 0,8-2,0
Бор - 0,001-0,02
Иттрий - 0,005-0,05
Никель - Остальное
и изделие, выполненное из него.

Введение иттрия обеспечивает снижение вероятности образования зародышей посторонних кристаллов при аксиальном росте, например, в пере турбинной лопатки или при прорастании монокристальной структуры в радиальном направлении, например в полку замка лопаток. Это связано с тем, что введение в состав иттрия приводит к снижению в сплаве содержания азота, кислорода и серы, переводя нитриды сульфиды и оксиды в шлаки, а значит в расплаве резко уменьшается количество центров зарождения посторонних кристаллов, представляющих собой мелкие частицы вышеуказанных соединений.

Суммарное содержание γʹ-образующих элементов и элементов, упрочняющих γ-твердый раствор в сплаве, обеспечивает получение высоких характеристик жаропрочности. Так, сплав с монокристальной структурой [001] имеет жаропрочность кгс/мм², соответствующую уровню прототипа.

Предлагаемый состав сплава при указанном соотношении легирующих элементов обеспечивает получение характеристик коррозионной стойкости на уровне прототипа без снижения уровня жаропрочности, при существенном повышении выхода годных монокристальных отливок за счет резкого снижения числа зародышей посторонних зерен или субзерен.

Пример осуществления.

В условиях опытного производства на установке высокоградиентной направленной кристаллизации УВНК-8П были выплавлены заготовки образцов и турбинные лопатки из сплавов, химический состав которых приведен в табл.1. В колонках 1-3 представлены сплавы предлагаемого изобретения, а в колонке 4 - сплава прототипа. В табл.2 представлены коррозионная стойкость, жаропрочность и технологические характеристики (величина прорастания монокристалла в поперечном по отношению к оси роста отливки направлении, выход годных по монокристальной структуре лопаток в %) предлагаемого сплава и сплава-прототипа.

Оценка величины прорастания монокристалла в поперечном направлении проводилась по специально разработанной методике. Изготавливались модельные блоки цилиндрических образцов диаметром 15 и длиной 180 мм. В модели образцов на различной высоте от основания: 40, 80 и 120 мм крепились поперечные пластинки шириной 15 мм, длиной 20 мм и толщиной 2 мм, имитирующие полки замка лопаток. На полученной отливке проводился замер расстояния, на котором в поперечной пластине возникали посторонние кристаллы. В табл.2 приведены средние значения величины прорастания, полученные в результате анализа двенадцати экспериментальных образцов для каждого приведенного состава.

Кристаллизация образцов и лопаток опытных композиций проводилась со скоростью протяжки 5 мм/мин, а сплава-прототипа со скоростью 3 мм/мин. Анализ выхода годных отливок проводился на партии отлитых лопаток в количестве 12 шт. для каждого состава.

Из совокупности полученных результатов следует, что предлагаемый сплав обеспечивает уровень коррозионной стойкости прототипа при примененном тигельном методе оценки скорости коррозии в расплаве солей, увеличение выхода годных монокристальных отливок по сравнению с прототипом не менее чем в 2 раза. Длительная прочность сплава соответствует уровню жаропрочности сплава-прототипа при 800-1000^oС. Детали из сплава могут изготавливаться на установках направленной кристаллизации различного типа, как с низким, так и с высоким градиентом температуры на фронте кристаллизации. Предлагаемый сплав прошел технологическое опробование при литье лопаток на промышленном оборудовании и показал хорошие литейные и механические характеристики, отвечающие заявляемым свойствам.

Таким образом, предлагаемый жаропрочный никелевый сплав позволяет получать качественные монокристаллические отливки для деталей авиационных, энергетических и газоперекачивающих стационарных газотурбинных установок нового поколения.

Формула изобретения

1. Жаропрочный литейный сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, тантал, рений, бор, титан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит иттрий при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Углерод - 0,005-0,07
Хром - 12,5-14,5
Кобальт - 8,0-10,0
Вольфрам - 3,5-5,5
Молибден - 0,8-2,2
Титан - 3,4-4,3
Алюминий - 3,5-4,8
Тантал - 0,5-2,5
Рений - 0,8-2,0
Бор - 0,001-0,02
Иттрий - 0,005-0,05
Никель - Остальное
2. Изделие из жаропрочного литейного сплава на основе никеля, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава следующего химического состава, мас. %:
Углерод - 0,005-0,07
Хром - 12,5-14,5
Кобальт - 8,0-10,0
Вольфрам - 3,5-5,5
Молибден - 0,8-2,2
Титан - 3,4-4,3
Алюминий - 3,5-4,8
Тантал - 0,5-2,5
Рений - 0,8-2,0
Бор - 0,001-0,02
Иттрий - 0,005-0,05
Никель - Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2