Жаропрочный сплав на основе никеля
Изобретение относится к металлургии сплавов, а именно к производству свариваемых никелевых жаропрочных сплавов, используемых для изготовления теплонагруженных деталей, например корпусов газотурбинных двигателей, работающих в условиях высоких температур и напряжений. Для повышения пластичности сплава и снижения технологических издержек при его изготовлении он содержит, мас.%: хром 15,0-16,0; молибден 7,5-8,5; алюминий 4,0-5,0; кобальт 5,0-7,0; ниобий 2,0-3,1; гафний 0,3-0,5; углерод 0,008-0,01, никель - остальное. Сплав получен гранульной металлургией. 3 табл.
Изобретение относится к металлургии сплавов, а именно к производству свариваемых никелевых жаропрочных сплавов, используемых для изготовления теплонагруженных деталей, например корпусов газотурбинных двигателей, работающих в условиях высоких температур и напряжений.
Известен жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий следующие компоненты мас.%: хром 8,0-10,0; молибден 3,6-4,3; алюминий 4,3-5,3; ниобий 1,0-2,0; гафний 0,1-0,4; углерод 0,02-0,1; титан 1,5-3,4; вольфрам 5,2-5,9; бор 0,001-0,05; магний 0,001-0,08; цирконий 0,001-0,05; церий 0,001-0,06; никель остальное. См. патент RU 2131943 кл. С22С 19/05, опубл. 20.06.99 Бюл. №17. Это сплав с большим содержанием элементов, образующих упрочняющую γ'-фазу, обладает высокой прочностью при комнатной температуре. Недостатком этого сплава можно считать недостаточно высокие значения длительной прочности при 750°С. Наличие тринадцати компонентов в составе сплава приводит к нестабильности показателей каждой выплавляемой партии. А стабилизация их приводит к значительным технологическим издержкам и, в итоге, приводит к удорожанию производства сплава, к высокой потребительской стоимости и ограничению в применении.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является жаропрочный сплав на основе никеля следующего состава: (мас.%)
| хром | 0-20,0 |
| молибден | 0-8,0 |
| алюминий | ≤3,0 |
| кобальт | 0-20,0 |
| ниобий | 0-4,0 |
| гафний | 0,25-0,3 |
| углерод | 0-0,3 |
| никель | остальное, |
раскрытый в Авторском свидетельстве СССР №451769, С22С 19/00, опубл. 30.11.1974, колонка 1, строки 5-21 - 1 стр. Присутствие в данном сплаве гафния 0,25-0,3 мас.% при наличии дополнительного элемента - кобальта до 20,0 мас.% позволяет повысить его пластичность. Однако данная пластичность проявляется только при эксплуатационном использовании и не проявляется при технологической обработке данного сплава, в частности при сварке. Поэтому для этого сплава невозможно применить сварку, что ведет к уменьшению технологических операций при изготовлении из него изделий. Наличие небольшого количества Al (≤3,0 мас.%) в составе этого сплава делает невозможным использование очень эффективного (в т.ч. и по весовым и стоимостным характеристикам) способа повышения прочности никелевых сплавов за счет формирования в их структуре выделений упрочняющей γ'-фазы, количество которой находится в прямой зависимости от содержания алюминия в никелевом сплаве, что также ограничивает область применения данного сплава.
Задачей предлагаемого изобретения является создание свариваемого жаропрочного сплава на основе никеля, получаемого методом гранульной металлургии, с наименьшим количеством компонентов.
Технический результат заключается в повышении пластичности сплава и снижении технологических издержек при его изготовлении.
Для решения поставленной технической задачи предлагается жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий хром, молибден, алюминий, кобальт, ниобий, гафний, углерод и полученный гранульной металлургией, который имеет следующее соотношение входящих в основу компонентов, мас.%:
| хром | 15,0-16,0 |
| молибден | 7,5-8,5 |
| алюминий | 4,0-5,0 |
| кобальт | 5,0-7,0 |
| ниобий | 2,0-3,1 |
| гафний | 0,3-0,5 |
| углерод | 0,008-0,01 |
| никель | остальное. |
При проведении исследований установлено, что, используя метод гранульной металлургии, который позволяет получить более мелкодисперсную структуру и однородный состав твердого раствора, при предлагаемом соотношении компонентов сплава на основе никеля наличие молибдена 7,5-6,5 мас.% снижает склонность сплава к образованию горячих трещин, при этом наличие гафния 0,3-0,5 мас.% упрочняет γ'-фазу и улучшает адгезию окисной пленки к основному металлу, а также образует стойкие мелкодисперсные карбиды, повышающие пластичность до уровня, обеспечивающего свариваемость сплава с сохранением механических характеристик сварного шва на уровне свойств основного металла.
Сплавы, соответствующие предлагаемому составу и составу прототипа, были выплавлены в вакуумной индукционной печи. Химический состав предлагаемого сплава и сплава прототипа приведены в таблице 1.
Слитки, отлитые в кокиль, механически обрабатывались до устранения «черновин», а затем распылялись на гранулы размером 200-500 мкм в установке УЦР-2.
Для получения компактных заготовок из сплавов гранулы в капсулах из стали Ст20 подвергались горячему изостатическому прессованию в газостате. Механические свойства (предел прочности σв 20 и относительное удлинение δ20 при 20°С) полученных заготовок определяли на стандартных цилиндрических образцах при растяжении (ГОСТ 1497-84). Оценку свариваемости сплава проводили технологическим методом на кольцевых пробах (ГОСТ 26389-84 «Методы испытаний на сопротивляемость образованию горячих трещин при сварке плавлением»). Свойства предлагаемого сплава (№№I, II, III) и сплава прототипа приведены в таблице 2.
При сравнении полученных результатов видно, что предлагаемый сплав обладает хорошей свариваемостью и более высоким уровнем прочности
| Таблица 1 | ||||||||
| Составы предлагаемого сплава и сплава-прототипа. | ||||||||
| № состава сплава | Содержание элементов, мас.% | |||||||
| Cr | Mo | Al | Со | Nb | Hf | С | Ni | |
| I | 15,0 | 7,5 | 4,0 | 5,0 | 2,0 | 0,3 | 0,008 | ост. |
| II | 15,5 | 8,0 | 4,5 | 6,0 | 2,6 | 0,4 | 0,009 | ост. |
| III | 16,0 | 8,5 | 5,0 | 7,0 | 3,1 | 0,5 | 0,01 | ост. |
| Прототип | 10,0 | 4,0 | 1,8 | 10,0 | 1,9 | 0,25 | 0,12 | ост. |
| Таблица 2 | ||||
| Свойства предлагаемого сплава и сплава-прототипа. | ||||
| Наименование свойств | σв 20, МПа | δ20, % | Максимальная протяженность трещины, мм | Максимальное количество трещин в зоне воздействия сварного шва, шт |
| № состава сплава | ||||
| I | 1200 | 28,8 | 0 | 0 |
| II | 1260 | 28,0 | 0 | 0 |
| III | 1350 | 26,9 | 0 | 0 |
| Прототип | 1100 | 12,8 | 12 | 11 |
Снижение или увеличение количества входящих в сплав компонентов за предложенные пределы заявленного соотношения компонентов приводит к снижению общего уровня механических свойств или приводит к падению прочности, повышению чувствительности сплава к концентраторам напряжения, либо падению технологических преимуществ, что отражено в таблице 3.
| Таблица 3 | |
| Хром | Ниже 15% - недостаточный уровень жаростойкости |
| Выше 16% - опасность выделения в сложнолегированном сплаве самостоятельных фаз на основе Cr, ухудшающих эксплуатационные характеристики, уменьшение температуры солидуса, что приводит к снижению длительной прочности | |
| Молибден | Ниже 7,5% - недостаточный уровень твердорастворного упрочнения |
| Выше 8,5% - опасность внутреннего окисления при высоких температурах, увеличение плотности сплава | |
| Алюминий | Ниже 4% - недостаточный уровень прочности |
| Выше 5% - горячее растрескивание при сварке из-за образования легкоплавких эвтектик с Ni по границам зерен | |
| Кобальт | Ниже 5% - недостаточный уровень технологической пластичности выше |
| Выше 7% - неэффективно из-за высокой стоимости | |
| Ниобий | Ниже 2% - недостаточное упрочнение γ'-фазы и карбидообразование |
| Выше 3,1% - выделение фазы Ni3Nb пластичной морфологии, массивное выделение карбидов по границам зерен, что приводит к существенному охрупчиванию сплава | |
| Гафний | Ниже 0,3% - недостаточно для связывания углерода в карбиды и предотвращение его сегрегации на поверхности гранул |
| Выше 0,5 - неэффективно из-за высокой стоимости | |
| Углерод | Ниже 0,008% - недостаточный уровень карбидного упрочнения, существенное удорожание технологического процесса из-за операции обезуглероживания |
| Выше 0,01% - сегрегация углерода на поверхности гранул, приводящая к существенному снижению прочностных характеристик |
Таким образом, удалось получить свариваемый жаропрочный сплав на основе никеля, получаемый методом гранульной металлургии, с наименьшим количеством компонентов повышенной пластичности при снижении технологических затрат. Использование предлагаемого жаропрочного сплава на основе никеля позволяет создавать газотурбинные двигатели нового поколения.
Жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий хром, молибден, алюминий, кобальт, ниобий, гафний и углерод, отличающийся тем, что он получен методом гранульной металлургии и содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:
| хром | 15,0-16,0 |
| молибден | 7,5-8,5 |
| алюминий | 4,0-5,0 |
| кобальт | 5,0-7,0 |
| ниобий | 2,0-3,1 |
| гафний | 0,3-0,5 |
| углерод | 0,008-0,01 |
| никель | остальное |
