Сплав на никелевой основе для литья монокристаллических лопаток турбины газотурбинного двигателя
Владельцы патента RU 2354733:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Московское машиностроительное производственное предприятие "САЛЮТ" (ФГУП "ММПП "САЛЮТ") (RU)
Изобретение относится к металлургии, в частности к производству литейных жаропрочных коррозионно-стойких сплавов на никелевой основе, предназначенных для литья монокристаллических лопаток турбин газотурбинных двигателей методом направленной кристаллизации, и может быть использовано в наземных газотурбинных двигателях, авиационных газотурбинных двигателях и газоперекачивающих установках, работающих в условиях длительного температурного воздействия в агрессивных средах, например, при использовании в качестве топлива природного газа, содержащего соединения серы. Сплав содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: углерод 0,04-0,06; хром 11,2-11,8; кобальт 4,5-5,5; вольфрам 6,7-7,3; молибден 0,6-1,0; титан 4,3-4,7; алюминий 3,2-4,0; тантал 3,7-4,3; бор 0,008-0,012; иттрий 0,020-0,040; лантан 0,005-0,015; кремний 0,1-0,3; ниобий 0,02-0,2; цирконий 0,02-0,1, никель - остальное. Повышается работоспособность рабочих лопаток газотурбинного двигателя, работающих в условиях длительного температурного воздействия в агрессивных средах. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству литейных жаропрочных коррозионно-стойких сплавов на никелевой основе, предназначенных для литья монокристаллических лопаток турбин газотурбинных двигателей методом направленной кристаллизации, и может быть использовано в наземных газотурбинных двигателях, авиационных газотурбинных двигателях и газоперекачивающих установках (ГТУ), работающих в условиях длительного температурного воздействия в агрессивных средах, например, при использовании в качестве топлива природного газа, содержащего соединения серы.
Известен жаропрочный коррозионно-стойкий сплав на никелевой основе для литья монокристаллических лопаток турбины газотурбинного двигателя, содержащий компоненты в следующем соотношении (в мас.%):
| Углерод | 0,04-0,06 |
| Хром | 11,2-11,8 |
| Кобальт | 4,5-5,5 |
| Вольфрам | 6,7-7,3 |
| Молибден | 0,6-1,0 |
| Титан | 4,3-4,7 |
| Алюминий | 3,2-4,0 |
| Тантал | 3,7-4,3 |
| Бор | 0,008-0,012 |
| Иттрий | 0,020-0,040 |
| Лантан | 0,005-0,015 |
| Никель | остальное |
(см. патент UA №77606, кл. С22С 19/05, опубл. 15.12. 2005).
Несмотря на то, что лопатки, изготовленные из этого сплава, имеют достаточно высокие эксплуатационные характеристики, в процессе длительной эксплуатации жаропрочный сплав в условиях температурно-силового нагружения претерпевает развитие необратимых структурных изменений, ограничивающих ресурс ГТД. К таким необратимым структурным изменениям относятся следующие:
- коагуляция упрочняющей γ'- фазы с формированием пластинчатой «рафт»- структуры;
- развитие карбидных реакций;
- образование микропор на малоугловых границах и межфазных поверхностях карбид-матрица в результате диффузионной ползучести сплава;
- образование сегрегации легкоплавких примесей на межфазных границах, снижающих их адгезивную прочность.
Технический результат заявленного изобретения - повышение работоспособности рабочих лопаток газотурбинного двигателя, работающих в условиях длительного температурного воздействия в агрессивных средах.
Указанный технический результат достигается тем, что сплав на никелевой основе для литья монокристаллических лопаток турбины газотурбинного двигателя, содержит компоненты в следующем соотношении (в мас.%):
| Углерод | 0,04-0,06 |
| Хром | 11,2-11,8 |
| Кобальт | 4,5-5,5 |
| Вольфрам | 6,7-7,3 |
| Молибден | 0,6-1,0 |
| Титан | 4,3-4,7 |
| Алюминий | 3,2-4,0 |
| Тантал | 3,7-4,3 |
| Бор | 0,008-0,012 |
| Иттрий | 0,020-0,040 |
| Лантан | 0,005-0,015 |
| Кремний | 0,1-0,3 |
| Ниобий | 0,02-0,2 |
| Цирконий | 0,02-0,1 |
| Никель | остальное |
Содержание (в мас.%) химических элементов в указанных пределах является существенным, так как обеспечивает эффект комплексного легирования упрочняющей γ'- фазы и никелевой γ-матрицы, определяет структурную стабильность сплава при длительных наработках лопаток в эксплуатации.
Содержание в сплаве кремния, ниобия и циркония является существенными, так как:
- легирование сплава ниобием и цирконием в указанных пределах позволяет снизить скорость диффузионной ползучести упрочняющей γ'-фазы в процессе эксплуатации и за счет этого повысить межремонтный ресурс ГТД.
- легирование сплава кремнием в указанных пределах позволяет повысить термодинамическую активность углерода в никелевой аустенитной матрице и за счет этого снизить скорость карбидных реакций в процессе эксплуатации ГТД, повысить структурную стабильность сплава.
Уменьшение содержания кремния, ниобия и циркония в сплаве ниже заявляемых пределов снижает эффект комплексного легирования упрочняющей γ'-фазы и, как результат, снижает структурную стабильность сплава при длительных наработках лопаток в эксплуатации. Повышение содержания кремния, ниобия и циркония выше заявляемых пределов расширяет температурный интервал кристаллизации сплава и повышает усадочную литейную пористость монокристаллических отливок.
Содержание (в мас.%) углерода, хрома, кобальта, вольфрама, молибдена, титана, алюминия, тантала, бора, иттрия, лантана, никеля в указанных пределах позволяет повысить коррозионную стойкость сплава, что позволяет обеспечить необходимый ресурс газотурбинной установки, работающей на природном газе, содержащем в своем составе соединения серы (например, сероводород H2S).
Уменьшение содержания указанных элементов в сплаве ниже заявляемых пределов снижает комплекс эксплуатационных характеристик сплава и снижает ресурс рабочих лопаток ТВД. Так, например, уменьшение содержания в сплаве хрома и алюминия приводит к снижению коррозионных свойств жаропрочного сплава. Уменьшение содержания тантала и титана снижает объемную долю и легирование упрочняющей γ'-фазы, обеспечивающей жаропрочность сплава. Уменьшение содержания кобальта, молибдена, вольфрама, ниобия, циркония, лантана и кремния снижает эффект твердорастворного упрочнения никелевой γ-матрицы и снижает прочностные свойства сплава во всем диапазоне рабочих температур лопатки. Уменьшение содержания углерода и бора снижает эффект дисперсного упрочнения жаропрочного сплава карбидами и боридами. Снижение содержания иттрия в сплаве повышает количество растворенного кислорода в сплаве, что приводит к снижению выхода годных монокристаллических отливок при направленной кристаллизации монокристаллических лопаток.
Увеличение содержания указанных элементов в сплаве выше заявляемых пределов приводит к образованию ТПУ- фаз, снижающих эксплуатационные характеристики жаропрочного сплава.
Так, при увеличении содержания углерода и бора происходит образование избыточного количества боридов и карбидов, выводящих из твердого никелевого раствора тугоплавкие металлы: титан, вольфрам, хром, ниобий, снижая этим прочностные свойства сплава. Увеличение содержания вольфрама, хрома, тантала, молибдена приводит к образованию ТПУ- фаз, снижающих ресурс лопаток. Увеличение содержания алюминия приводит к увеличению объемной доли упрочняющей γ'- фазы, что приводит к выделению γ-γ' -эвтектики, снижающей пластичность сплава и температуру солидус сплава. Увеличение содержания циркония, лантана, иттрия и кремния приводит к выделению легкоплавких эвтектик, ограничивающих температурный режим работы лопаток.
Соотношение суммарного содержания алюминия и титана к содержанию тантала в сплаве может находиться в пределах 1,8-2,2.
Снижение суммарного содержания алюминия и титана в сплаве к танталу менее 1,8 приводит к формированию структурной неоднородности упрочняющей γ'- фазы, не устраняемой термической обработкой и приводящей к снижению пластичности сплава.
Превышение суммарного содержания алюминия и титана в сплаве к танталу более 2,2 сопровождается снижением жаропрочных характеристик упрочняющей γ'- фазы и снижением длительной прочности сплава в целом.
Пример реализации заявляемого изобретения.
При проведении апробации опытного сплава монокристаллические образцы и лопатки газоперекачивающих агрегатов ГТК-10И и ГТК-25И были отлиты на установке УВНК-8П при скорости кристаллизации Vкр=10 мм/мин.
Монокристаллические образцы с КГО [001] прошли ТО по режиму, включающему гомогенизирующий отжиг при 1240°С в течение 2 часов, охлаждение и выдержку при 1050°С в течение 4 часов.
Монокристаллические образцы испытывали на кратковременную прочность по ГОСТ 1497-61 при температурах 20, 800, 900, 1000°С и длительную прочность по ГОСТ 10145-81 при температурах 800, 900 и 1000°С.
Технологическое апробирование в промышленных условиях заявляемого сплава показало, что сплав демонстрирует хорошую литейную плотность, не склонен к образованию горячих трещин во время ВТВО.
Стойкость сплавов к высокотемпературной коррозионной стойкости (ВТК) оценивали по средней скорости коррозии Vq, г/м2·с, и глубине суммарного коррозионного проникновения hk, мм.
Составы сплавов и результаты испытаний представлены в приведенных ниже таблицах.
| Таблица 1 Химический состав заявляемого сплава |
|||||
| Компоненты | Химический состав заявляемого сплава, в мас.% | ||||
| № сплава | №1 | №2 | №3 | №4 | №5 |
| Углерод | 0,04 | 0,05 | 0,06 | 0,05 | 0,05 |
| Хром | 11,2 | 11,5 | 11,8 | 10,9 | 12,1 |
| Кобальт | 4,5 | 5,0 | 5,5 | 5,0 | 5,0 |
| Вольфрам | 6,7 | 7,0 | 7,3 | 7,0 | 7,0 |
| Молибден | 0,6 | 0,8 | 1,0 | 0,8 | 0,8 |
| Титан | 4,3 | 4,5 | 4,7 | 4,5 | 4,5 |
| Алюминий | 3,2 | 3,6 | 4,0 | 3,6 | 3,6 |
| Тантал | 3,7 | 4,0 | 4,3 | 3,4 | 4,6 |
| Бор | 0,010 | 0,010 | 0,010 | 0,010 | 0,010 |
| Иттрий | 0,030 | 0,030 | 0,030 | 0,030 | 0,030 |
| Лантан | 0,010 | 0,010 | 0,010 | 0,010 | 0,010 |
| Кремний | 0,10 | 0,20 | 0,30 | 0,01 | 0,40 |
| Ниобий | 0,02 | 0,10 | 0,20 | 0,01 | 0,35 |
| Цирконий | 0,02 | 0,05 | 0,10 | 0,01 | 0,20 |
| Никель | Ост. | Ост. | Ост. | Ост. | Ост. |
Сплавы, представленные в таблице 1, содержали компоненты в количестве, соответствующем:
- нижнему заявляемому пределу соответствует сплав №1;
- верхнему заявляемому пределу соответствует сплав №3;
- оптимальному составу заявляемого сплава соответствует сплав №2;
- ниже нижнего заявляемого предела соответствует сплав №4, где содержание хрома составляет 10,9%, тантала 3,4%, кремния, ниобия и циркония по 0,01%;
- выше верхнего заявляемого предела соответствует сплав №5, где содержание хрома составляет 12,1%, тантала 4,6%, кремния 0,40%, ниобия 0,35%, циркония 0,20%.
Остальные компоненты в составе сплавов №4 и №5 взяты в оптимальном соотношении - определяемом, как среднее значение.
| Таблица 2 Механические свойства и длительная прочность заявляемого сплава. |
|||||
| Сплав | σ0,2, МПа | σв, МПа | δ, % | σ (100 ч), МПа | σ (1000 ч), МПа |
| Температура испытаний 20°С | |||||
| Заявляемый сплав (№1) Заявляемый сплав (№2) Заявляемый сплав (№3) Сплав (№4) Сплав (№5) |
1075 1080 1085 1000 1100 |
1150 1170 1200 1080 1210 |
10,5 9,5 9,0 12,5 6,0 |
- - - - - |
- - - - - |
| Температура испытаний 800°С | |||||
| Заявляемый сплав (№1) Заявляемый сплав (№2) Заявляемый сплав (№3) Сплав (№4) Сплав (№5) |
1080 1125 1150 1025 1200 |
1250 1270 1300 1205 1350 |
16,5 15,0 14,5 18,0 12,5 |
530 580 600 480 490 |
360 450 460 320 340 |
| Температура испытаний 900°С | |||||
| Заявляемый сплав (№1) Заявляемый сплав (№2) Заявляемый сплав (№3) Сплав (№4) Сплав (№5) |
890 935 980 850 1000 |
985 1000 1050 930 1020 |
22,0 20,0 18,5 25,0 16,0 |
340 370 380 270 320 |
220 240 250 200 210 |
| Температура испытаний 1000°С | |||||
| Заявляемый сплав (№1) Заявляемый сплав (№2) Заявляемый сплав (№3) Сплав (№4) Сплав (№5) |
495 555 600 450 585 |
625 675 680 605 685 |
25,0 20,0 17,5 26,6 15,0 |
170 180 190 150 160 |
100 115 120 85 95 |
Снижение содержания легирующих компонентов ниже заявляемого предела приводит к уменьшению эффекта твердорастворного упрочнения, в результате чего снижается уровень свойств монокристаллического сплава как при нормальной, так и при повышенной температуре испытаний. Увеличение содержания легирующих компонентов выше заявляемого предела, в том числе кремния, ниобия и циркония, приводит к образованию эвтектики Ni5(ZrNbSi), снижающей температуру солидус сплава, и, как результат, снижению прочностных и пластических свойств при повышенных температурах.
Технологические свойства сплава проверены при производстве рабочих лопатках газоперекачивающих агрегатов ГТК-10И и ГТК-25И. Заявляемый сплав показал высокую технологичность.
1. Сплав на никелевой основе для литья монокристаллических лопаток турбины газотурбинного двигателя, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, алюминий, тантал, бор, иттрий, лантан, кремний, ниобий и цирконий при следующем соотношении компонетнов, мас.%:
| Углерод | 0,04-0,06 |
| Хром | 11,2-11,8 |
| Кобальт | 4,5-5,5 |
| Вольфрам | 6,7-7,3 |
| Молибден | 0,6-1,0 |
| Титан | 4,3-4,7 |
| Алюминий | 3,2-4,0 |
| Тантал | 3,7-4,3 |
| Бор | 0,008-0,012 |
| Иттрий | 0,020-0,040 |
| Лантан | 0,005-0,015 |
| Кремний | 0,1-0,3 |
| Ниобий | 0,02-0,2 |
| Цирконий | 0,02-0,1 |
| Никель | Остальное |
2. Сплав по п.1, отличающийся тем, что отношение суммарного содержания алюминия и титана к содержанию тантала в сплаве находится в пределах 1,8-2,2.
