Жаропрочный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из этого сплава

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам литейных жаропрочных сплавов на основе никеля, предназначенным для производства методом направленной кристаллизации деталей высокотемпературных газовых турбин, преимущественно монокристаллических рабочих и сопловых лопаток, длительно работающих при температурах, превышающих 1000°С. Сплав содержит, мас.%: углерод - 0,001-0,04; хром - 4,0-6,0; кобальт - 8,0-10,0; вольфрам - 6,5-8,0; молибден - 0,8-2,2; титан - 0,1-1,0; алюминий - 5,4-6,2; тантал - 4,0-7,0; рений - 2,7-3,7; ниобий - 0,1-1,0; бор - 0,001-0,02; церий - 0,015-0,05; иттрий - 0,001-0,002; кислород - 0,0003-0,001; азот - 0,0003-0,001; никель - остальное. Технический результат - получение жаропрочного сплава с высоким уровнем свойств для монокристаллического литья деталей ГТД методом направленной кристаллизации. Сплав технологичен при литье, не склонен к образованию поверхностных дефектов типа «струйной ликвации». Использование сплава позволит повысить ресурс и надежность изделий, выполненных из него. 2 н.з. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным жаропрочным сплавам на основе никеля, предназначенным для производства методом направленной кристаллизации деталей высокотемпературных газовых турбин, преимущественно монокристаллических рабочих, сопловых лопаток и других элементов горячего тракта турбины, длительно работающих при температурах, превышающих 1000°С.

Известен и нашел применение в качестве материала для лопаток газовых турбин жаропрочный сплав для литья методом направленной кристаллизации лопаток с направленной и монокристаллической структурой состава, мас.%

Углерод	0,02-0,5
Хром	2,0-10
Кобальт	5,0-15
Вольфрам	2,0-10
Молибден	0,5-5,0
Алюминий	4,5-8,0
Тантал	1,0-9,0
Рений	1,0-5,0
Ниобий	1,1-5,0
Ванадий	0,1-3,0
Бор	0,01-0,3
Ванадий	0,1-3,0
Церий	0,0005-0,1
Лантан	0,001-0,2
Неодим	0,00005-0,05
Никель	остальное

/Авторское свидетельство СССР №1157865/.

По уровню характеристик жаропрочности он превосходит известные сплавы для лопаток с направленной структурой как отечественные ЖС26, ЖС30, так и зарубежные МаrМ200, МаrМ246 и другие сплавы. Высокий уровень прочностных характеристик сплава определяется его легированием рением. Однако сплав не является фазовостабильным. При содержании в сплаве рения на уровне 4-4,3% и вольфрама на уровне 8,5-9% в сплаве при высоких температурах происходит образование пластинчатых выделений топологически плотно упакованных фаз. Топологически плотно упакованные, содержащие рений ТПУ-фазы, охрупчивают и разупрочняют сплав; результатом фазовых превращений является высокая дисперсия характеристик длительной прочности сплава. Выделения такого типа в сплаве могут образовываться так же после термической обработки и технологических нагревов при изготовлении деталей.

Известен жаропрочный никелевый сплав следующего химического состава, в мас.%:

Хром	6,4	6,8
Кобальт	9,3	10,0
Вольфрам	6,2	6,6
Молибден	0,5	0,7
Титан	0,8	1,2
Алюминий	5,45	5,75
Тантал	6,3	6,7
Рений	2,8	3,2
Гафний	0,07	0,12
Никель		основа

/Патент США №4,643,782/

Сплав предназначен для литья лопаток с монокристаллической структурой, имеющих кристаллографическую ориентацию [001]; в этой ориентации сплав имеет высокий уровень жаропрочности. Сплав нашел широкое применение для литья рабочих и сопловых охлаждаемых монокристаллических лопаток современных ГТД. Однако отмечается его недостаточно высокая технологичность при монокристаллическом литье. Кроме этого при длительном воздействии температур и напряжений в сплаве происходит образование ТПУ-фаз, приводящих к потере пластичности и разупрочнению сплава, что свидетельствует о недостаточной сбалансированности химического его состава.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является сплав следующего химического состава, в мас.%:

Углерод	0,05-0,12
Хром	5,0-6,0
Кобальт	8,0-10,0
Вольфрам	6,5-7,5
Молибден	0,8-1,5
Ниобий	0,6-1,0
Алюминий	5,5-6,0
Тантал	4,4-5,4
Рений	3,8-4,6
Бор	0,001-0,02
Ниобий	0,6-1,0
Церий	0,005-0,1
Иттрий	0,0001-0,002
Лантан	0,001-0,05
Недоим	0,0005-0,01
Никель	Остальное

При соблюдении условия:

9,5≤(1/2 W+1/2 Re+1/2 Ta+Mo+Nb)≤10,5

/Патент РФ №2148099/.

Сплав предназначается для литья лопаток с направленной и монокристаллическими структурами ГТД, длительно работающими при высоких температурах. Сплав обладает высокой фазовой стабильностью при длительном воздействии температур и напряжений, однако он имеет недостаточно высокий уровень жаропрочности при температурах, превышающих 1000°С.

Технической задачей предлагаемого изобретения являлась разработка жаропрочного сплава на основе никеля для монокристаллического литья отливок деталей ГТД с более высоким уровнем жаропрочности.

Для достижения технической задачи предложен жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, тантал, рений, ниобий, бор, церий, иттрий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит титан, кислород и азот при следующем соотношении компонентов, в мас.%:

Углерод	0,001-0,04
Хром	4,0-6,0
Кобальт	8,0-10,0
Вольфрам	6,5-8,0
Молибден	0,8-2,2
Титан	0,1-1,0
Алюминий	5,4-6,2
Тантал	4,0-7,0
Рений	2,7-3,7
Ниобий	0,1-1,0
Бор	0,001-0,02
Церий	0,015-0,05
Иттрий	0,001-0,002
Кислород	0,0003-0,001
Азот	0,0003-0,001
Никель	остальное

и изделие, выполненное из него.

По сравнению со сплавом-прототипом в предлагаемом сплаве уменьшено содержание углерода. Ограничение содержания углерода в сплаве повышает температуру полного растворения упрочняющей γ'-фазы и обеспечивает растворение первичной эвтектической фазы при термической обработке, увеличивая тем самым количество γ'-упрочняющей фазы после охлаждения от температуры гомогенизации.

Кроме этого установлено, что при содержании углерода до 0,04% выделяющиеся карбиды имеют округлую форму, располагаются главным образом по субграницам, закрепляя их и не позволяя мигрировать им в процессе термической обработки, тем самым уменьшая склонность к образованию рекристаллизованных зерен по сравнению с безуглеродистыми монокристаллическими сплавами.

Легирование сплава титаном повышает сопротивление сплава высокотемпературной газовой коррозии. При суммарном содержании титана и ниобия 0,6-1,1% обеспечивается оптимальное содержание первичной эвтектической γ'-γ фазы (3-5%), которое растворяется при термической обработке, увеличивает количество упрочняющей γ'-γ фазы, тем самым способствуя упрочнению сплава.

Наиболее эффективно упрочняющим жаропрочные сплавы элементом является рений. Основная трудность, возникающая при разработке сплавов, содержащих рений, связана с тем, что в процессе высокотемпературных нагревов в сплавах может происходить образование фаз, относящихся к разряду топологически плотноупакованных (ТПУ-фазы), которые образуются, как правило, в осях дендритов и представляют собой пластины, выделяющиеся параллельно плоскостям октаэдра {111}.

Структурная стабильность ренийсодержащих сплавов относительно образования охрупчивающих топологически плотноупакованных фаз (ТПУ) определяется главным образом соотношением содержания в сплаве Re и W.

Содержание хрома в сплаве определяет сопротивление сплава коррозии и в предлагаемом сплаве находится в пределах 4-6%. Содержание молибдена находится в пределах 0,8-2,2%. Молибден является упрочнителем твердого раствора, однако, наиболее существенный его вклад проявляется в изменении параметра γ-твердого раствора и, как следствие, в морфологии упрочняющей вторичной γ'-фазы, делая ее кубической и тем самым обеспечивая высокое сопротивление ползучести жаропрочных сплавов.

Присутствующий в сплавах кислород и азот вступает в реакцию с основными легирующими элементами, образуя нитриды и оксиды, которые являются центрами зарождения паразитных кристаллов и снижают выход годных по монокристальности отливок.

Предлагаемые содержания в сплаве азота и кислорода в пределах 0,0003-0,001 мас.% каждого исключают образование центров зарождения паразитных кристаллов и обеспечивают повышенную технологичность сплава при отливке монокристаллических деталей ГТД.

Пример осуществления

В вакуумно-индукционной печи ВИАМ-2002 было выплавлено пять композиций сплавов предлагаемого состава и один сплав, взятый за прототип (таблица №1). Масса металла каждой плавки составляла 10 кг. Монокристаллические заготовки ориентации [001] с отклонением, не превышающим 5°, диаметром 16 мм и длиной 180 мм, получали методом направленной кристаллизации на установке УВНК-9 с жидкометаллическим охлаждением.

Монокристаллические заготовки образцов подвергались высокотемпературной гомогенизации при температуре выше температуры растворения вторичной упрочняющей γ'-фазы и ниже температуры солидуса сплавов. Нагрев до окончательной температуры гомогенизации проводился с промежуточными ступенчатыми изотермическими выдержками, что позволило избежать появление структуры локальных оплавлений. Охлаждение от температуры гомогенизации проводили со скоростью ˜100°С/мин. После охлаждения заготовки подвергались двухступенчатому старению.

Оценка уровня жаропрочности предлагаемых составов проводилась при температурах испытаний 975 и 1100°С.

Результаты испытаний представлены в таблице 2. Полученные результаты свидетельствуют, что предлагаемый сплав обеспечивает более высокий уровень жаропрочности, чем сплав-прототип. При близких уровнях долговечности разрушение образцов предлагаемого сплава происходило при более высоких напряжениях. Металлографический анализ структуры разрушенных при температуре испытания 1100°С и напряжении 100 МПа образцов исследованных сплавов не выявил образования при испытании пластинчатых выделений ТПУ-фаз, что свидетельствует о высокой фазовой и структурной стабильности предлагаемого сплава.

Из совокупности полученных результатов следует, что предлагаемый сплав обеспечивает уровень жаропрочности, превосходящий жаропрочность сплава-прототипа. Сплав технологичен при монокристальном литье и не склонен к образованию поверхностных дефектов типа «струйной ликвации».

Таким образом, применение предлагаемого сплава позволит повысить ресурс и надежность изделий, в частности рабочих, сопловых лопаток и других элементов горячего тракта турбины, длительно работающих при температурах, превышающих 1000°С.

ТАБЛИЦА №1
№ п/п	Состав	С	Cr	Co	W	Mo	Ti	Al	Та	Re	Nb	В	Се	Y	O2	N2	Ni
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18
1	Заявляемый сплав	0,001	5,84	8,0	7,30	1,12	0,8	5,40	7,0	3,05	0,3	0,005	0,02	0,002	0,0005	0,0008	Осн.
2		0,005	6,0	8,98	6,94	1,09	0,5	5,71	5,29	3,19	0,1	0,008	0,05	0,0015	0,0003	0,0008	Осн.
3		0,02	5,2	9,3	8,0	1,5	0,5	5,7	4,0	2,70	0,55	0,02	0,015	0,0015	0,0008	0,001	Осн.
4		0,01	4,3	10,0	7,0	0,8	0,1	6,2	5,5	3,7	1,0	0,001	0,02	0,0015	0,001	0,0008	Осн.
5	0,04	4	9	6,5	2,2	1,0	5,7	5,5	3,2	0,1	0,007	0,02	0,001	0,0006	0,0003	Осн.
6	Прототип	0,09	5,5	9,0	7,2	1,3	-	5,8	5,1	4,2	0,75	0,013	0,07	0,002	-	-	Осн.

ТАБЛИЦА №2
№ п/п	Состав	Время до разрушения при испытании на длительную прочность в час.
Температура испытания 975°С, напряжение 360 МПа	Температура испытания 1100°С, напряжение 140 МПа	Температура испытания 1100°С, напряжение 100 МПа
1	Заявляемый сплав	59	98	569
61		114,5	617,5
2		64	112	630
133		695
3		58	109	540
121		585
4		70	140	660
132		680
5		59	98	514
104	544
6	Прототип	Температура испытания 975°С, напряжение 330 МПа	Температура испытания 1100°С, напряжение 120 МПа	Температура испытания 1100°С, напряжение 90 МПа
		50	95	508
55	110	498

1. Жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, тантал, рений, ниобий, бор, церий, иттрий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит титан, кислород и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,001-0,04
Хром	4,0-6,0
Кобальт	8,0-10,0
Вольфрам	6,5-8,0
Молибден	0,8-2,2
Титан	0,1-1,0
Алюминий	5,4-6,2
Тантал	4,0-7,0
Рений	2,7-3,7
Ниобий	0,1-1,0
Бор	0,001-0,02
Церий	0,015-0,05
Иттрий	0,001-0,002
Кислород	0,0003-0,001
Азот	0,0003-0,001
Никель	остальное.

2. Изделие из жаропрочного сплава на основе никеля, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п.1.