Способ получения никелевого жаропрочного сплава

Изобретение относится к металлургии, а именно к производству жаропрочных сплавов на никелевой основе, и может быть использовано для литья лопаток газотурбинных двигателей, работающих в условиях высоких температур и напряжений. Техническим результатом является повышение длительной (сточасовой) прочности, трещиностойкости и стабильности сплава во время работы при температурах не выше 1000°С. Смешивают компоненты сплава, содержащие карбидообразующие элементы и элементы, образующие γ' фазу - Ni, Co, Cr, W, Mo, Nb и С, расплавляют их, вводят Ti, Al и микролегирующие элементы - В, La, Y и Се, выплавляют сплав и охлаждают его со скоростью не менее 50°С/мин. Количество карбидообразующих элементов выбирают из условия 14,0 мас.% ≤ (Cr+W+Nb+Ti+Mo)≤24 мас.%, а количество микролегирующих элементов выбирают из условия (B+La+Y+Ce)≤0,1 мас.%. Для обеспечения возможности управления тонкой структурой сплава углерод вводят в виде скомпактированных порошков с дисперсностью 1-100 мкм. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству жаропрочных сплавов на никелевой основе, и может быть использовано при выплавке сплавов для литья, например, лопаток газотурбинных двигателей, работающих в условиях высоких температур и напряжений.

Известен литейный жаропрочный никелевый сплав IN-731 содержащий (мас.%): хром - 9,5, кобальт - 10,0, молибден - 2,5, алюминий - 5,5, титан 4,6, углерод - 0,18, бор - 0,015, цирконий - 0,06 и ванадий - 1,0, никель - остальное до 100% («Суперсплавы II: Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок", Под. редакцией Симса Ч.Т., Столофф Н.С., Хагеля У.К., М.: Металлургия, 1995 г., 384 с.).

Данный сплав имеет невысокий уровень жаропрочных свойств - при температуре 975°С - 40 часовой предел длительной прочности равен 190 МПа.

Известен жаропрочный литейный сплав на никелевой основе ЖС-6У, содержащий (мас.%): никель - основа, углерод - 0,16, хром - 9,0, кобальт - 10,0, молибден - 2,0, вольфрам - 10,0, алюминий - 5,5, титан - 2,5, ниобий - 1,0, бор - 0,025, иттрий - 0,01 (Абраимов Н.В., Елисеев Ю.С., Крымов В.В. Авиационное материаловедение и технология обработки металлов, М.: Высшая школа, 1998 г., с.215) - прототип.

Данный литейный сплав получают смешиванием компонентов сплава, в том числе карбидообразующих элементов и элементов, образующих фазу, таких как Cr, W, Nb, Ti, Mo, Al, после чего добавляют микролегирующие элементы и осуществляют выплавку никелевого жаропрочного сплава с последующим охлаждением. Для данного сплава выполняется условие: (%Cr+%W+%Nb+%Ti+%Mo)=9,0+10,0+1,0+2,5+2,0=24,5 и в качестве микролегирующих добавок используются ниобий, цирконий, бор и иттрий, сумма которых составляет 1,075 мас.%.

Известный сплав ЖС-6У имеет предел сточасовой прочности при температуре 1000°С - (170-180) МПа.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является повышение длительной прочности (сточасовой прочности), трещиностойкости и стабильности сплава при его работе при температурах не выше 1000°С.

Заявляемый технический результат достигается тем, что в способе получения никелевого жаропрочного сплава с поликристаллической структурой (ЖС6У-ПК) смешивают компоненты сплава, содержащие карбидообразующие элементы и элементы, образующие γ'-фазу - Ni, Co, Cr, W, Мо, Nb и С, расплавляют, вводят Ti, Al и микролегирующие элементы, осуществляют выплавку никелевого жаропрочного сплава с последующим охлаждением, причем количество карбидообразующих элементов вводят в сплав исходя из условия 14%≤(%Cr+%W+%Nb+%Ti+%Mo)≤24% от массы сплава, количество микролегирующих элементов выбирают из условия (%B+%La+%Y+%Ce)≤0,1% от массы сплава.

Для оптимизации технического результата в соответствии с заявляемым способом количество карбидообразующих элементов выбирают из условия (W и Ti)≥10,0% от массового состава сплава. Данное условие может выполняться, в частности, если из сплавов по заявляемому изобретению изготавливают детали высоконагруженных элементов газотурбинных двигателей, например рабочие лопатки турбин, диски и т.д.

Для оптимизации технического результата охлаждение ведут со скоростью не менее 50°С/мин.

Для возможности управления тонкой структурой жаропрочного сплава углерод могут вводить в состав сплава в виде скомпактированных порошков с дисперсностью 1-100 мкм.

Возрастающие требования к материалам высоконагруженных авиационных двигателей не могут быть удовлетворены без создания литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе, способных длительно работать в интервале температур 800-1000°С путем подбора определенного соотношения карбидообразующих элементов - вольфрама, хрома, титана, молибдена и ниобия и микролегирующих элементов - бора, лантана, иттрий и церия.

Заявляемый способ получения никелевого жаропрочного сплава с поликристаллической структурой, позволяющего получить заявляемый технический результат, основан на следующих предпосылках.

Известна важная роль границ зерен в процессе разрушения образцов из поликристаллических сплавов при их испытаниях на малоцикловую усталость при температурах до 1000°С. Установлено, что при всех исследованных температурах зарождение усталостных трещин происходит на границах зерен, причем при температурах до 800°С - трещины распространяются преимущественно вдоль границ зерен. При температурах 900°С трещины развиваются еще и по телу зерен, а при дальнейшем повышении температуры - трещины зарождаются в основном на окисленных карбидах на поверхности образцов.

Таким образом, для достижения заявляемого технического результата особое внимание следует уделять состоянию границ зерен, а для этого целесообразно включение в систему легирования карбидообразующих элементов, стабилизирующих границы зерен, и необходима система поверхностно-активных элементов - микролегирующих добавок, образующих равновесные сегрегации на структурных дефектах (разделах) и тем самым снижающих энергию границ зерен, при их сочетании с остальными элементами, входящими в состав сплава.

Количество и состав микролегирующих добавок влияет не только на границы зерен в сплаве, но оказывает благоприятное воздействие и на другие дефекты кристаллической структуры, например, на антифазные границы в упорядоченной структуре γ'-фазы, возникающие при перерезании частиц упрочняющей γ'-фазы дислокациями в процессе ползучести и, следовательно должен быть сбалансирован как по составу микролегирующих элементов, так и по их взаимодействию с остальными компонентами сплава. Количество и состав микролегирующих добавок зависит от состава и количества других компонентов, входящих в сплав и определяется, например, расчетным путем. Количество вводимых в сплав карбидообразующих элементов также должно быть сбалансировано, так как на карбидах тоже возможно зарождение трещин, приводящих к разрушению сплавов.

Как известно, хром повышает жаростойкость и жаропрочность твердого раствора, снижает температуру плавления сплава. В эвтектической системе Ni-Cr образуются широкие области твердых растворов, так как растворимость хрома в никеле более 30%. Хром улучшает свариваемость сплавов образует карбиды (Cr₂₃С₆), однако большое количество карбида на основе Cr₂₃С₆ охрупчивает сплавы, кроме того, высокое содержание хрома стабилизирует пластинчатые хрупкие δ и μ-фазы, которые охрупчивают сплавы.

Вольфрам и молибден вводят в сплавы для повышения жаропрочности твердого раствора и термостабильности γ'-фазы. Вольфрам повышает температуру плавления сплавов, оба элемента входят в твердый раствор, в γ'-фазу и в карбиды. Их введение повышает температуру растворения γ'-фазы в матрице. Чрезмерное увеличение содержания вольфрама в современных жаропрочных сплавах приводит к интенсификации протекания карбидных реакций и образованию Ме6С, а также появлению фазы на основе α-вольфрама, не являющейся эффективным упрочнителем. Как правило, содержание вольфрама в сплавах, из которых изготавливают детали высоконагруженных элементов газотурбинных двигателей, например рабочие лопатки турбин, диски и т.д. колеблется в диапазоне 7,0-15,0.

Ниобий стабилизирует γ'-фазу, образует с никелем соединения типа Ni₃Nb и увеличивает объемную долю упрочняющей γ'-фазы, входит в твердый раствор, повышая его жаропрочность, и в карбиды МеС.Пластинчатые выделения фаз типа Ni3Nb образуются при чрезмерно высоком содержании ниобия и охрупчивают сплавы.

Титан является одним из важных легирующих элементов в жаропрочных сплавах. Титан входит в упрочняющую γ'-фазу, и увеличение содержания титана повышает количество и стабильность γ'-фазы, длительную прочность, но избыточное его количество снижает жаропрочность и термостабильность сплава.

Микролегирующие элементы бор, церий, лантан и иттрий являются поверхностно-активными веществами, которые локализуются на дефектах структуры, в частности на границах зерен, снижают поверхностную энергию границ и, тем самым, повышают структурную стабильность сплавов. Одновременно они оказывают модифицирующее действие на сплавы - измельчают микрозерно, уменьшают размер дендритной ячейки, изменяют морфологию и распределение неметаллических включений. Они очень мало растворимы в никеле и весьма эффективно очищают границы зерен от серы, кислорода и других примесей, задерживают процессы разупрочнения литейных никелевых сплавов и тем самым повышают их структурную стабильность и, кроме того, они повышают жаростойкость и улучшают защитные свойства оксидных пленок на сплавах.

Авторами проведены теоретические и экспериментальные исследования, в ходе которых установлено, что заявляемый технический результат достигается по сравнению с прототипом в случае реализации заявляемого способа получения никелевого жаропрочного сплава при выполнении в частности соотношений: 14%≤(%Cr+%W+%Nb+%Ti+%Mo)≤24% от массового состава сплава и (%В+%La+%Y+%Се)≤0,1% от массового состава сплава. Причем заявляемый технический результат достигается при любом соотношении указанных в независимом пункте формулы компонентов, достаточно только, чтобы последовательность операций способа и количественные соотношения вводимых компонентов были выбраны в пределах заявленных диапазонов, однако для получения оптимального технического результата целесообразно для сплавов, из которых изготавливают детали высоконагруженных элементов газотурбинных двигателей, например рабочие лопатки турбин, диски и т.д, суммарное количество некоторых элементов, например (%W+%Ti) выбирать не менее 10% от массового состава сплава.

В случае, если (%Cr+%W+%Nb+%Ti+%Mo)<14%, то необходимое упрочнение границ зерен в сплаве карбидами не обеспечивается и сплав утрачивает свои преимущества в области температур до 1000°С, а если (%Cr+%W+%Nb+%Ti+%Mo)>24%, то количество карбидов на границах зерен становится избыточным и происходит охрупчивание границ зерен.

В случае, если (%В+%La+%Y+%Се)>0,1%, то избыточным становится количество микролегирующих элементов, которые входят в состав легкоплавких эвтектик и вызывают снижение характеристик жаропрочности.

Для управления тонкой структурой жаропрочного сплава углерод вводят в состав сплава в виде скомпактированных порошков с дисперсностью 1-100 мкм.

Пример конкретного выполнения способа.

Сплав готовился в вакуумных индукционных печах с разрежением 10^-2-10^-3 мм рт.ст. и емкостью 160 кг (ИСВ-016). Порядок загрузки: смешивают никель, кобальт, хром, вольфрам, молибден, ниобий и углерод, осуществляют их плавление и раскисление углеродом, после чего производят продувку ванны аргоном, вводят титан и алюминий, микролегирующие добавки - бор, иттрий, лантан, церий и ведут плавку при температуре 1630-1650°С, а расплав охлаждают со скоростью 50°С и получают отливки с поликристаллической структурой. Были выплавлены две композиции предлагаемого сплава и сплав прототип ЖС-6У, химический состав которых приведен в таблицах 1, 2.

Таблица 1.
№ плавки	Химический состав, в мас.%
Cr	Со	С	W	Al	Ni	Nb	Ti	Mo	В	La	Y	Се
1	5,80	5,24	0,2	11,5	5,50	Осн	0,5	2,0	0,8	0,02	0,02	0,02	0,02
2	5,65	5,11	0,13	14,7	5,66	Осн	0,6	2,6	1,0	0,02	0,02	0,02	0,02
ЖС-6У	8,60	9,90	0,18	10,20	5,60	Осн	0,8	2,4	1,3	0,035	Zr-0,04	0,01	0,025

Таблица 2.
Номер плавки	100 часовая прочность (МПА) при Т=1000°С	100 часовая прочность (МПА) при Т=900°С	100 часовая прочность (МПА) при Т=850°С	100 часовая прочность (МПА) при Т=800°С
1	180	376	523	643
2	174	372	532	675
ЖС-6У	170	352	455	562

Приведенные результаты испытаний показывают, что по сравнению с прототипом заявляемый сплав обеспечивает достижение заявляемого технического результата, а именно - повышение прочностных характеристик никелевых жаропрочных поликристаллических сплавов на основе никеля таких, как предел сточасовой прочности при температурах не выше 1000°С.

1. Способ получения никелевого жаропрочного сплава с поликристаллической структурой, включающий смешивание компонентов сплава, содержащих карбидообразующие элементы и элементы, образующие γ' фазу - Ni, Co, Cr, W, Mo, Nb и С, их расплавление, введение Ti, Al и микролегирующих элементов - В, La, Y и Се, выплавку никелевого жаропрочного сплава с последующим охлаждением, отличающийся тем, что количество карбидообразующих элементов выбирают из условия 14,0 мас.% ≤ (Cr+W+Nb+Ti+Mo)≤24 мас.%, количество микролегирующих элементов выбирают из условия (B+La+Y+Ce)≤0,1 мас.%, а охлаждение осуществляют со скоростью не менее 50°С/мин.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что углерод вводят в виде скомпактированных порошков с дисперсностью 1-100 мкм.