Устойчивые к возгоранию и обладающие высокой прочностью на разрыв металлические сплавы
Сплавы на основе никеля могут быть использованы для применений в ракетных двигателях, работающих с избытком кислорода. Сплавы содержат, мас.%: от примерно 55 до примерно 75 никеля, от примерно 12 до примерно 17 кобальта, от примерно 4 до примерно 16 хрома, от примерно 1 до примерно 4 алюминия и от примерно 1 до примерно 4 титана. Сплавы характеризуются устойчивостью к возгоранию и высокой прочностью на разрыв. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 1 ил.
Область Техники
Данное изобретение относится к металлическим сплавам, в частности к сплавам на основе никеля, которые являются устойчивыми к возгоранию в обогащенных кислородом средах и которые обладают достаточной прочностью для конструкционных применений.
Уровень Техники
Текущее и предлагаемое использование циклов ракетного двигателя с полнопоточным ступенчатым сжиганием с избытком кислорода ставит серьезную проблему подбора материалов для узлов газогенератора и турбоагрегата. Большинство материалов возгорается в среде протекающего газообразного кислорода высокого давления, воздействию которой подвергались бы эти узлы. В этих условиях основная трудность совместимости заключается в подборе таких конструкционных материалов, которые не будут поддерживать горение, т.е. которые являются по существу устойчивыми к возгоранию. Варианты выбора таких материалов включают в себя защитные покрытия на тех материалах, которые сами по себе не обладают устойчивостью к возгоранию, чтобы исключить возгорание в данных рабочих условиях. Желательное решение заключается в том, чтобы избегать применения покрытий, а использовать материалы, которые смогут выдержать данные рабочие условия, и тем самым повысить факторы безопасности и надежности.
Помимо этого, подбор высокопрочных материалов позволяет реализовать обтекаемую конструкцию с меньшей массой и более высокими рабочими показателями.
Патенты США №№4461542 и 4671931, полные описания которых включены в данную заявку посредством ссылки, раскрывают никель-хром-алюминий-железный сплав, имеющийся в продаже под торговым наименованием Haynes® 214тм, который был разработан в качестве жаропрочного и жаростойкого (стойкого к окислению) сплава. Хотя сплав Haynes® 214тм в некоторой степени устойчив к возгоранию, он существенно ограничен в своих конструкционных применениях по причине его относительно низкой прочности, и поэтому он нежелателен для применения в газогенераторе или турбоагрегате ракетного двигателя.
Еще одним представляющим интерес материалом является сплав Monel Alloy K-500тм, который представляет собой сплав цветных металлов, содержащий в основном никель, медь и алюминий. Он является коррозионно-стойким и способен упрочняться при термической обработке. Сплав Monel Alloy K-500 до сих пор используют для изготовления зубчатых колес, цепей и некоторых конструкционных элементов в воздушном летательном аппарате, которые подвергаются коррозионному воздействию. Хотя сплав Monel Alloy K-500тм является устойчивым к возгоранию, он не имеет желательной прочности для высоконапряженных и высокотемпературных применений в ракетных двигателях.
Еще одним представляющим интерес материалом является сплав Inconel МА 754тм, который является дисперсионно-упрочненным никель-хром-железо-иттрий-титан-алюминиевым сплавом с оксидными упрочняющими фазами, который обладает жаропрочностью и сопротивлением ползучести и используется в газотурбинной технике и процессах термической обработки. Как и в случае упоминаемых выше материалов, он также не обладает нужной прочностью для работы в высоконапряженных условиях.
Наконец, другие материалы, такие как сплав 625 или сплав Waspaloyтм, обладают достаточной прочностью на разрыв для применения в указанных узлах ракетного двигателя или для других высоконапряженных применений, но их использование в других важных областях ограничено. В частности, эти металлические сплавы не имеют достаточной устойчивости к возгоранию для применения в кислородных средах высокой температуры и высокого давления. В результате этого обычные конструкционные материалы ракетных двигателей, такие как Waspaloyтм, не считаются адекватными кандидатами в материалы для рассматриваемых случаев применения в ракетных двигателях.
Поэтому по-прежнему существует необходимость в металлических сплавах с отличной устойчивостью к возгоранию и высокой прочностью на разрыв для применения их в кислородных средах высокой температуры и высокого давления. Узлы газогенератора и горячие узлы турбины в полнопоточных, работающих с избытком кислорода ракетных двигателях создают среды как с высокой температурой, так и высоким давлением кислорода, и при этом они также подвергаются очень высоким конструкционным нагрузкам. Поэтому материалы, подбираемые для этих узлов, должны обладать как превосходной устойчивостью к возгоранию, так и высокой прочностью на разрыв с тем, чтобы сохраняться и работать в этих жестких условиях. Такие материалы, в общем, не известны из уровня техники.
Сущность изобретения
Данное изобретение устраняет упоминаемые выше недостатки и обеспечивает следующие преимущества. Первое преимущество данного изобретения заключается в обеспечении нового и усовершенствованного сплава, который является устойчивым к возгоранию в богатых кислородом средах и также является пригодным для конструкционных применений.
Второе преимущество данного изобретения заключается в обеспечении нового и усовершенствованного сплава, который является особенно легко приспосабливаемым к применению в работающих с избытком кислорода ракетных двигателях.
Еще одно преимущество данного изобретения заключается в обеспечении нового и усовершенствованного сплава, который является пригодным для конструкционных применений при рабочих температурах в диапазоне от комнатной температуры до приблизительно 1200°F (˜650°C).
В соответствии с первым вариантом данного изобретения предложен сплав на основе никеля с устойчивостью к возгоранию и высокой прочностью на разрыв, содержащий:
(1) от примерно 55 до примерно 75 мас.% никеля;
(2) от примерно 12 до примерно 17 мас.% кобальта;
(3) от примерно 4 до примерно 16 мас.% хрома;
(4) от примерно 1 до примерно 4 мас.% алюминия; и
(5) от примерно 1 до примерно 4 мас.% титана.
В соответствии со вторым вариантом данного изобретения предложен сплав на основе никеля с устойчивостью к возгоранию и высокой прочностью на разрыв, содержащий:
(1) от примерно 70 до примерно 75 мас.% никеля;
(2) от примерно 13,5 до примерно 16,5 мас.% кобальта;
(3) от примерно 6 до примерно 15 мас.% хрома;
(4) от примерно 1 до примерно 4 мас.% алюминия; и
(5) от примерно 1 до примерно 4 мас.% титана.
Предпочтительно, этот сплав на основе никеля содержит:
(1) от 70 до 75 мас.% никеля;
(2) от примерно 13,5 до примерно 16,5 мас.% кобальта;
(3) от примерно 6 до примерно 15 мас.% хрома;
(4) от примерно 1 до примерно 3 мас.% алюминия; и
(5) от примерно 1 до примерно 4 мас.% титана.
В соответствии с третьим вариантом данного изобретения предложен сплав на основе никеля, содержащий по меньшей мере 50 мас.% никеля и имеющий пороговое значение давления тушения по меньше мере примерно 4000 фунт/кв.дюйм (˜27,58 МПа) и предел прочности на разрыв по меньшей мере примерно 160000 фунт/кв.дюйм (˜1100 МПа).
Предпочтительно, сплав также содержит кобальт, хром и титан. Более предпочтительно, сплав также содержит марганец, углерод, бор и цирконий.
Предпочтительно, пороговое значение давления тушения составляет от примерно 4000 до примерно 12000 фунт/кв.дюйм (от ˜27,58 МПа до ˜82,74 МПа). Предпочтительно, предел прочности на разрыв составляет от примерно 160000 до примерно 180000 фунт/кв.дюйм (от ˜1100 МПа до ˜1241 МПа).
Прочие сферы применимости данного изобретения будут очевидны из приводимого ниже подробного описания. Подразумевается, что подробное описание и конкретные примеры, характеризуя предпочтительные варианты осуществления изобретения, предназначены только для иллюстративных целей и не предназначены ограничивать объем изобретения.
Краткое описание чертежей
Данное изобретение станет более понятным из приводимого ниже подробного описания и прилагаемого чертежа, на котором Фиг.1 является графическим представлением порогового значения давления тушения горения в зависимости от предела прочности на разрыв для известного уровня техники и вариантов осуществления данного изобретения.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
Приводимое ниже описание предпочтительного(ых) варианта(ов) осуществления является только примерным по своей сути и никоим образом не ограничивает изобретение, его применение или использование.
Данное изобретение заключается в различных сплавах, имеющих следующий общий состав: от примерно 55 до примерно 75 мас.% никеля; от примерно 12 до примерно 17 мас.% кобальта; от примерно 4 до примерно 16 мас.% хрома; от примерно 1 до примерно 4 мас.% алюминия; и от примерно 1 до примерно 4 мас.% титана. Сплавы согласно этому варианту осуществления, наряду с другими вариантами, содержат различные прочие второстепенные компоненты.
Сплавы по изобретению могут также содержать марганец в количестве от примерно 0,15 до примерно 0,25 мас.%; кремний; углерод в количестве от примерно 0,01 до примерно 0,5 мас.%; бор в количестве от примерно 0,003 до примерно 0,009 мас.%; и цирконий в количестве от примерно 0,02 до примерно 0,07 мас.%.
Никель обеспечивает отличную устойчивость к возгоранию, и с точки зрения устойчивости к возгоранию он намного превосходит большинство ранее испытывавшихся элементарных металлов. Сплавы согласно вариантам осуществления данного изобретения имеют уровни содержания никеля, равные по меньшей мере 50%. Этот уровень содержания никеля обычно используют для обеспечения отличной устойчивости к возгоранию. Согласно одному из вариантов осуществления данного изобретения массовое процентное содержание никеля находится в диапазоне от примерно 70 до примерно 75.
Кобальт действует как компонент-упрочнитель твердого раствора в никелевой матрице (основе), одновременно сохраняя отличную устойчивость к возгоранию. Массовое процентное содержание кобальта находится в диапазоне от примерно 12 до примерно 17.
Хром включают в состав сплава для обеспечения минимального сопротивления окислению. Согласно одному варианту осуществления данного изобретения содержание хрома составляет примерно 15 мас.%, что содействует сохранению отличной устойчивости сплава к возгоранию. Сплав по изобретению обычно имеет массовое процентное содержание хрома в диапазоне от примерно 6 до примерно 15.
Содержащийся алюминий содействует сопротивлению окислению при одновременном сохранении отличной устойчивости к возгоранию. Содержащийся в сплаве алюминий также вносит вклад в механизм упрочнения сплава «гамма-прим» фазой. Содержание алюминия в сплаве составляет от примерно 1 до примерно 3 мас.%.
Содержащийся в сплаве титан вносит вклад в механизм упрочнения сплава «гамма-прим» фазой и присутствует в количестве от примерно 1 до примерно 4 мас.%.
В сплавах согласно данному изобретению могут присутствовать прочие второстепенные элементы, такие как бор, цирконий и углерод. Эти добавки обычно сегрегируются на границах зерен и придают прочность, что может являться важным во время первичных и вторичных этапов изготовления.
Жаропрочные сплавы на основе никеля, такие как описанные выше сплавы, обычно изготавливают с помощью двухэтапной последовательности плавок, предусматривающей вакуумную индукционную плавку и вакуумно-дуговой переплав. Этот двухэтапный способ дает слиток сплава, который затем механически обрабатывают, чтобы превратить слиток в заготовку, пруток, лист или пластину.
Тот факт, что сплавы по изобретению обладают превосходным сочетанием свойств, включая устойчивость к возгоранию и высокую прочность в обогащенных кислородом средах, иллюстрируется приводимыми ниже примерами.
Пример 1
Был приготовлен сплав следующего состава, в мас.%: никель - 71,5; кобальт - 16,5; хром - 8,0; алюминий - 1,5; титан - 2,5. Сплав испытывали с условиях высокого давления, которые, в общем, были более жесткими, чем в ракетном двигателе с полнопоточным ступенчатым сжиганием и со ступенчатым сжиганием с избытком кислорода, или аналогичными им. Этот сплав проявил как высокую прочность на разрыв, так и высокую устойчивость к возгоранию. Результаты испытаний согласно Примеру 1 представлены на чертеже экспериментальной точкой «EX 1». Предел прочности на разрыв сплава согласно Примеру 1 является достаточно высоким для большинства создающихся в ракетном двигателе условий и при реальных применениях, и при испытаниях, причем как при комнатной температуре, так и при высокой температуре. Сплав согласно Примеру 1 также обладал нужной устойчивостью к возгоранию, которая позволяла ему выдерживать кислородную среду высокого давления.
Пример 2
Был приготовлен сплав следующего состава, в мас.%: никель - 72,9; кобальт - 16,6; хром - 8,1; алюминий - 1,5; титан - 3,9. Сплав был испытан в условиях среды газообразного кислорода под высоким давлением, которые, в общем, были более жесткими, чем в ракетном двигателе с полнопоточным ступенчатым сжиганием и со ступенчатым сжиганием с избытком кислорода, или аналогичными им. Этот сплав проявил как высокую прочность на разрыв, так и высокую устойчивость к возгоранию. Результаты испытаний согласно Примеру 2 представлены на чертеже экспериментальной точкой «EX 2». Предел прочности на разрыв сплава согласно Примеру 2 является достаточно высоким для большинства создающихся в ракетном двигателе условий и при реальных применениях, и при испытаниях, причем как при комнатной температуре, так и при высокой температуре. Сплав согласно Примеру 2 также обладал нужной устойчивостью к возгоранию, которая позволяла ему выдерживать кислородную среду высокого давления.
Чертеж иллюстрирует превосходные свойства нескольких вариантов сплава согласно данному изобретению. Необходимо отметить, что точки экспериментальных данных ЕХ 1 и ЕХ 2 приводятся только в качестве примера данного изобретения. При этом пороговое значение давления тушения представляет собой максимальное давление газообразного кислорода, при котором сплав будет самотушиться, согласно измерениям при испытании на самопроизвольное возгорание и тушение в способствующей этому среде (от англ. «Promoted Combustion test»). Это испытание используют для того, чтобы определить, будет ли материал в виде стержня диаметром в одну восьмую (1/8) дюйма поддерживать горение или тушить горение в среде газообразного кислорода высокого давления. Это испытание обычно применяют для отбора материалов по устойчивости к возгоранию в кислороде. Предел прочности на разрыв определяют обычным испытанием на растяжение, согласно которому стандартный образец подвергают воздействию растягивающей нагрузки и определяют то механическое напряжение, при котором этот образец разрушается. Для работы в ракетных двигателях с избытком кислорода желательны хорошие результаты в обоих этих испытаниях. Нужны сплавы, которые не поддерживают горение при давлении газообразного кислорода в 6000 фунтов/кв.дюйм (˜41,4 МПа) или выше и которые проявляют максимально возможную прочность. В некоторых случаях могут использоваться сплавы с меньшей прочностью, но при этом приходится жертвовать низкой массой выполненной из них конструкции и высокими рабочими показателями.
Описание изобретения является лишь примерным по своей сути, и поэтому в объем данного изобретения также входят те варианты, которые не выходят за рамки его сущности. Эти варианты не должны рассматриваться как отклонение от духа и объема изобретения.
1. Сплав на основе никеля с устойчивостью к возгоранию и высокой прочностью на разрыв, содержащий
от примерно 55 до примерно 75 мас.% никеля;
от примерно 12 до примерно 17 мас.% кобальта;
от примерно 4 до примерно 16 мас.% хрома;
от примерно 1 до примерно 4 мас.% алюминия и
от примерно 1 до примерно 4 мас.% титана.
2. Сплав по п.1, отличающийся тем, что содержание никеля составляет от примерно 70 до примерно 75 мас.%.
3. Сплав по п.1, отличающийся тем, что содержание кобальта составляет от примерно 13,5 до примерно 16,5 мас.%.
4. Сплав по п.1, отличающийся тем, что содержание хрома составляет от примерно 6 до примерно 15 мас.%.
5. Сплав по п.1, отличающийся тем, что содержание алюминия составляет от примерно 1 до примерно 3 мас.%.
6. Сплав по п.1, отличающийся тем, что также содержит от примерно 0,15 до примерно 0,25 мас.% марганца.
7. Сплав по п.1, отличающийся тем, что также содержит от примерно 0,01 до примерно 0,5 мас.% углерода.
8. Сплав по п.1, отличающийся тем, что также содержит от примерно 0,003 до примерно 0,009 мас.% бора.
9. Сплав по п.1, отличающийся тем, что также содержит от примерно 0,02 до примерно 0,07 мас.% циркония.
10. Сплав на основе никеля с устойчивостью к возгоранию и высокой прочностью на разрыв, содержащий
от примерно 70 до примерно 75 мас.% никеля;
от примерно 13,5 до примерно 16,5 мас.% кобальта;
от примерно 6 до примерно 15 мас.% хрома;
от примерно 1 до примерно 4 мас.% алюминия и
от примерно 1 до примерно 4 мас.% титана.
11. Сплав по п.10, отличающийся тем, что содержание алюминия составляет от примерно 1 до примерно 3 мас.%.
12. Сплав по п.10, отличающийся тем, что также содержит от примерно 0,15 до примерно 0,25 мас.% марганца.
13. Сплав по п.10, отличающийся тем, что также содержит от примерно 0,01 до примерно 0,5 мас.% углерода.
14. Сплав по п.10, отличающийся тем, что также содержит от примерно 0,003 до примерно 0,009 мас.% бора.
15. Сплав по п.10, отличающийся тем, что также содержит от примерно 0,02 до примерно 0,07 мас.% циркония.
16. Сплав на основе никеля, содержащий по меньшей мере 50 мас.% никеля и имеющий пороговое значение давления тушения по меньшей мере примерно 4000 фунт/кв. дюйм (˜27,58 МПа) и предел прочности на разрыв по меньшей мере примерно 160000 фунт/кв. дюйм (˜1100 МПа).
17. Сплав по п.16, отличающийся тем, что также содержит кобальт, хром и титан.
18. Сплав по п.17, отличающийся тем, что также содержит марганец, углерод, бор и цирконий.
19. Сплав по п.16, отличающийся тем, что упомянутое пороговое значение давления тушения составляет от примерно 4000 до примерно 12000 фунт/кв. дюйм (от ˜27,58 МПа до ˜82,74 МПа).
20. Сплав по п.16, отличающийся тем, что упомянутый предел прочности на разрыв составляет от примерно 160000 до примерно 180000 фунт/кв. дюйм (от ˜1100 МПа до ˜1241 МПа).
