Жаропрочный никелевый сплав для получения изделий методом металлургии гранул
Владельцы патента RU 2359053:
Открытое Акционерное Общество "Ступинская металлургическая компания" (RU)
Изобретение относится к металлургии, а именно к жаропрочным никелевым сплавам для получения изделий, производимых методом металлургии гранул и предназначенных для работы при высоких нагрузках и температурах, например, в газотурбинных двигателях. Для повышения надежности и срока службы изделий из сплава он содержит, мас.%: углерод 0,02-0,08, хром 9,0-11,0; кобальт 14,0-16,0; вольфрам 5,5-6,5; молибден 3,0-3,8; титан 3,8 - менее 4,2; алюминий 3,4-4,2; ниобий 1,5-2,2; гафний более 0,2-0,4; бор 0,005-0,05; магний 0,001-0,05; цирконий 0,001-0,005; никель - остальное. 3 табл.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным никелевым сплавам для получения изделий, производимых методом металлургии гранул и предназначенных для работы при высоких нагрузках и температурах, например, в газотурбинных двигателях.
Известен жаропрочный никелевый сплав для получения изделий методом металлургии гранул, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, алюминий, ниобий, гафний, бор, магний, церий, цирконий и никель при следующем соотношении компонентов сплава, мас.%:
| Углерод | 0,02-0,08 |
| Хром | 8,0-11,0 |
| Кобальт | 14,0-18,0 |
| Вольфрам | 4,5-5,9 |
| Молибден | 3,0-5,5 |
| Титан | 1,5-3,0 |
| Алюминий | 4,5-6,0 |
| Ниобий | 2,0-3,5 |
| Гафний | 0,2-1,5 |
| Бор | 0,01-0,035 |
| Магний | 0,005-0,1 |
| Церий | 0,01-0,06 |
| Цирконий | 0,01-0,1 |
| Никель | остальное |
(см. патент Российской Федерации №2160789, кл. С22С 19/05, заявл. 20.11.1998 г.).
Недостатком указанного жаропрочного сплава является недостаточный уровень жаропрочности и длительной пластичности при высоких рабочих температурах, что не обеспечивает необходимых для современной техники уровня и стабильности механических характеристик.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по сущности и совокупности признаков является жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, алюминий, ниобий, гафний, бор, цирконий и магний при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Углерод | 0,02-0,10 |
| Хром | 9,0-11,0 |
| Кобальт | 14,0-16,0 |
| Вольфрам | более 5,5-6,5 |
| Молибден | 3,0-3,8 |
| Титан | 4,0-4,2 |
| Алюминий | 3,4-4,2 |
| Ниобий | 1,5-2,2 |
| Гафний | 0,1-0,2 |
| Бор | 0,005-0,05 |
| Цирконий | 0,001 не более 0,005 |
| Магний | 0,001-0,05 |
| Никель | остальное |
(см. патент Российской Федерации №2257420, кл. 7 С22С 19/05, заявл. 26.07.2004 г.).
Однако указанный сплав имеет недостаточные показатели предела прочности, предела текучести, относительного удлинения, а при более высоких температурах имеет низкую длительную прочность и недостаточные показатели сопротивления малоцикловой усталости (МЦУ) и трещиностойкости (Кi 100). Это сопровождается низкой надежностью сплава, склонностью изделий к внезапным разрушениям и к недостаточному сроку службы изделия из данного сплава.
Заявляемое техническое решение направлено на решение задачи увеличения механических характеристик и показателей длительной прочности, сопротивления малоцикловой усталости и трещиностойкости и, следовательно, на достижение технического результата в виде повышения надежности и срока службы изделий из данного сплава.
Эта задача решается тем, что жаропрочный никелевый сплав для получения изделий методом металлургии гранул, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, алюминий, ниобий, гафний, бор, магний, цирконий и никель, отличается тем, что он содержит указанные компоненты в следующем соотношении, мас.%:
| Углерод | 0,02-0,08 |
| Хром | 9,0-11,0 |
| Кобальт | 14,0-16,0 |
| Вольфрам | 5,5-6,5 |
| Молибден | 3,0-3,8 |
| Титан | 3,8 - менее 4,0 |
| Алюминий | 3,4-4,2 |
| Ниобий | 1,5-2,2 |
| Гафний | более 0,2-0,4 |
| Бор | 0,005-0,05 |
| Магний | 0,001-0,05 |
| Цирконий | 0,001-0,005 |
| Никель | остальное |
Существенными признаками, отличающими заявляемое техническое решение от прототипа, являются:
- содержание титана в пределах 3,8 менее 4,0 мас.%;
- содержание гафния в пределах более 0,2-0,4 мас.%;
Содержание титана в пределах 3,8 менее 4,0 мас.% обеспечивает условия максимального связывания углерода с титаном для образования карбидов титана, упрочняющих структуру сплава.
Содержание гафния в пределах более 0,2-0,4 мас.% обеспечивает более мелкозернистую структуру сплава, что способствует повышению ресурса изделий, изготовляемых из этого сплава.
Кроме того, повышаются как длительная прочность, так и сопротивление малоцикловой усталости и трещиностойкость. Указанные особенности проявляются, если размер зерна в структуре изделия находится в пределах от 30 до 70 мкм. При размере зерна менее 30 мкм снижается длительная прочность в интервале температур 650-850°С. При размере зерна более 70 мкм появляется тенденция к уменьшению трещиностойкости сплава и чувствительности изделий к концентраторам напряжения.
Предлагаемый сплав получают методом металлургии гранул, а именно, отливают цилиндрическую заготовку из сплава заданного состава, получают гранулы посредством плазменной плавки вращающейся заготовки и ее центробежного распыления, гранулы подвергают горячему изостатическому прессованию в оболочке (капсуле), задающей форму и размер изделия. Размер зерна в микроструктуре полученного изделия определяется, главным образом, размером распыленных частиц (гранул).
Возможность осуществления изобретения и достижения указанного выше технического результата подтверждается следующим примером получения изделий из жаропрочных никелевых сплавов.
В индукционной вакуумной печи получены цилиндрические слитки четырех сплавов, из которых три имели состав согласно изобретению, а один - согласно сплаву-прототипу (см. табл.1). Из обточенных слитков в установке плазменной плавки и центробежного распыления были получены гранулы разных фракций. Из гранул в металлических капсулах были отпрессованы в газостате образцы изделий с разной структурой для изучения влияния размера зерна на механические свойства изделий (см. табл.2).
Механические свойства при нормальной температуре 20°С и рабочей температуре 650°С определены по стандартным методикам для образцов изделий из предлагаемого сплава и сплава-прототипа (см. табл.3).
| Таблица 1. | ||||
| Согласно изобретению | Прототип | |||
| Состав 1 | Состав 2 | Состав 3 | ||
| Углерод | 0,02 | 0,05 | 0,08 | 0,06 |
| Хром | 9,0 | 10,0 | 11,0 | 10,0 |
| Кобальт | 14,0 | 15,0 | 16,0 | 15,0 |
| Вольфрам | 5,5 | 6,0 | 6,5 | 5,9 |
| Молибден | 3,0 | 3,4 | 3,8 | 3,4 |
| Титан | 3,8 | 3,9 | 4,0 | 4,1 |
| Алюминий | 3,4 | 3,8 | 4,2 | 3,8 |
| Ниобий | 1,5 | 1,8 | 2,2 | 1,9 |
| Гафний | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,15 |
| Бор | 0,005 | 0,03 | 0,05 | 0,02 |
| Цирконий | 0,001 | 0,003 | 0,005 | 0,002 |
| Магний | 0,001 | 0,02 | 0,05 | 0,025 |
| Никель | Остальное | Остальное | Остальное | Остальное |
| Таблица 2. | |||||
| Согласно изобретению | |||||
| Образец | №1 | №2 | №3 | №4 | №5 |
| Химсостав | Состав 1 | Состав 2 | Состав 3 | Состав 2 | Состав 2 |
| Размер зерна, мкм | 50 | 50 | 50 | 30 | 70 |
| Таблица 3. | ||||||
| t=20°С | t=650°C | |||||
| Предел прочности |
Предел текучести |
Относит. удлинение |
Длительн. прочность |
Малоцикл. усталость |
Трещиностойкость | |
| σв, МПа | σ0,2, МПа | δ, % | σ100, МПа | σN=104, МПа | Ki100, МПа.м1/2 | |
| Образец 1 | 1568 | 1215 | 15 | 1116 | 1119 | 60,7 |
| Образец 2 | 1575 | 1224 | 16 | 1130 | 1120 | 61,0 |
| Образец 3 | 1567 | 1220 | 15 | 1119 | 1119 | 60,8 |
| Образец 4 | 1563 | 1185 | 14 | 1108 | 1118 | 60,0 |
| Образец 5 | 1565 | 1187 | 15 | 1110 | 1117 | 60,2 |
| Прототип | 1553 | 1181 | 14 | 1097 | 1117 | 60,0 |
Из таблицы 3 следует, что при нормальной температуре сплав предлагаемого состава превосходит сплав-прототип по пределу прочности на 10-22 МПа, по пределу текучести - на 4-43 МПа и по уровню пластичности до 2%. При рабочей температуре у предлагаемого сплава в сравнении со сплавом-прототипом на 11-33 МПа выше длительная прочность, до 3 МПа выше сопротивление малоцикловой усталости, более высокая трещиностойкость. Повышение уровня приведенных характеристик позволяет увеличить ресурс работы газотурбинных двигателей в 1,5 раза.
Таким образом, жаропрочный никелевый сплав, имеющий предлагаемый состав, решает задачу увеличения механических характеристик и длительной прочности, сопротивления малоцикловой усталости и трещиностойкости. Это позволяет достигнуть технический результат, выражающийся в повышении надежности и увеличении срока службы изделий из данного сплава.
Существуют и испытаны опытные образцы дисков авиационных газотурбинных двигателей, изготовленных в соответствии с изобретением. Как следует из описания конкретного примера реализации, данное техническое решение осуществимо в производственных условиях и позволяет достигнуть намеченный технический результат.
Жаропрочный никелевый сплав для получения изделий методом металлургии гранул, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, алюминий, ниобий, гафний, бор, магний, цирконий и никель, отличающийся тем, что он содержит указанные компоненты в следующем соотношении, мас.%:
| Углерод | 0,02-0,08 |
| Хром | 9,0-11,0 |
| Кобальт | 14,0-16,0 |
| Вольфрам | 5,5-6,5 |
| Молибден | 3,0-3,8 |
| Титан | 3,8 - менее 4,2 |
| Алюминий | 3,4-4,2 |
| Ниобий | 1,5-2,2 |
| Гафний | более 0,2-0,4 |
| Бор | 0,005-0,05 |
| Магний | 0,001-0,05 |
| Цирконий | 0,001-0,005 |
| Никель | Остальное |
