Порошковый жаропрочный никелевый сплав

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к жаропрочным никелевым сплавам. Может использоваться в газотурбинных двигателях для изготовления тяжело нагруженных деталей, работающих при повышенных температурах. Порошковый жаропрочный никелевый сплав содержит, мас.%: углерод 0,03-0,08; хром 10,0-12,0; кобальт 14,0-16,0; вольфрам 2,5-3,5; молибден 4,0-5,0; титан 2,5-3,1; алюминий 3,5-4,4; ниобий 3,0-3,5; бор 0,005-0,05; магний 0,001-0,05; гафний 0,005-0,2; железо 0,01-1,0; марганец 0,001-0,5; кремний 0,001-0,5; ванадий 0,4-0,8; церий 0,001-0,05; лантан 0,001-0,08; скандий 0,001-0,05; никель - остальное. Сплав обладает высокой длительной прочностью, низкой чувствительностью к надрезу, низкой скоростью распространения усталостной трещины при рабочих температурах. 1 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии, в частности к порошковой металлургии жаропрочных никелевых сплавов, и может быть использовано в газотурбинных двигателях для изготовления тяжело нагруженных деталей, работающих при повышенных температурах.

Известен жаропрочный никелевый сплав, предназначенный для деталей газовых турбин, состава (в 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

(патент РФ 2257420, C22C 19/05, 2004 год).

Недостатками этого сплава являются низкие характеристики конструкционной прочности и чувствительность сплава к надрезу при рабочих температурах, что существенно снижает его ресурс и увеличивает частоту ремонтов двигателя.

Известен жаропрочный сплав на основе никеля, состава (в мас.%):

Углерод	0,02-0,10
Хром	9,0-11,0
Кобальт	14,0-16,0
Вольфрам	5,2-6,8
Молибден	3,0-3,9
Титан	3,0-3,9
Алюминий	3,2-4,5
Ниобий	1,2-2,4
Гафний	0,05-0,5
Бор	0,005-0,05
Цирконий	0,001-0,05
Магний	0,001-0,05
Марганец	0,001-0,5
Кремний	0,001-0,5
Железо	0,001-1,0
Никель	остальное

(патент РФ 2294393, C22C 19/05, 2005 год) - прототип.

Недостатками этого сплава являются низкие характеристики длительной прочности (σ₁₀₀ ^620°C) и чувствительность к надрезу (σ^надр ₁₀₀/σ^гл ₁₀₀<1,0), что значительно снижает его ресурс, а также высокая скорость распространения усталостной трещины (СРТУ) при рабочих температурах, что существенно увеличивает частоту ремонтов двигателя.

Предлагается порошковый жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий компоненты в следующем соотношении (в мас.%):

Углерод	0,03-0,08
Хром	10,0-12,0
Кобальт	14,0-16,0
Вольфрам	2,5-3,5
Молибден	4,0-5,0
Титан	2,5-3,1
Алюминий	3,5-4,4
Ниобий	3,0-3,5
Бор	0,005-0,05
Магний	0,001-0,05
Гафний	0,005-0,2
Железо	0,01-1,0
Марганец	0,001-0,5
Кремний	0,001-0,5
Ванадий	0,4-0,8
Церий	0,001-0,05
Лантан	0,001-0,08
Скандий	0,001-0,05
Никель	остальное.

Предлагаемый сплав отличается от прототипа тем, что он дополнительно содержит ванадий, церий, лантан и скандий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,03-0,08
Хром	10,0-12,0
Кобальт	14,0-16,0
Вольфрам	2,5-3,5
Молибден	4,0-5,0
Титан	2,5-3,1
Алюминий	3,5-4,4
Ниобий	3,0-3,5
Бор	0,005-0,05
Магний	0,001-0,05
Гафний	0,005-0,2
Железо	0,01-1,0
Марганец	0,001-0,5
Кремний	0,001-0,5
Ванадий	0,4-0,8
Церий	0,001-0,05
Лантан	0,001-0,08
Скандий	0,001-0,05
Никель	остальное.

Технический результат - повышение длительной прочности, уменьшение чувствительности к надрезу и, как следствие, повышение ресурса, а также снижение скорости распространения усталостной трещины при рабочих температурах и, как следствие, увеличение времени между ремонтами двигателя.

Это достигается за счет того, что предлагаемая композиция обеспечивает устранение в структуре наследственных границ гранул и значительное упрочнение границ зерен, что позволяет повысить длительную прочность как на гладких образцах, так и, еще более существенно, на образцах с надрезом, то есть обеспечить нечувствительность к надрезу (σ^надр ₁₀₀/σ^гл ₁₀₀>1), а также снизить скорость распространения усталостной трещины.

Пример

Методом порошковой металлургии был изготовлен и опробован сплав предлагаемого состава, мас.%:

Углерод	0,06
Хром	11,0
Кобальт	15,0
Вольфрам	3,0
Молибден	4,5
Титан	2,8
Алюминий	3,9
Ниобий	3,3
Бор	0,015
Магний	0,01
Гафний	0,1
Железо	0,5
Марганец	0,2
Кремний	0,1
Ванадий	0,6
Церий	0,02
Лантан	0,02
Скандий	0,01
Никель	остальное.

Также был получен сплав по составу - прототипу.

Механические свойства при рабочей температуре 620°С предлагаемого сплава и сплава-прототипа определены по стандартным методикам испытания и представлены в таблице.

Таким образом, сплав предлагаемого состава позволяет при рабочей температуре повысить предел длительной прочности на 8-12% на гладких образцах и на 22-25% на образцах с надрезом, тем самым, обеспечить нечувствительность к надрезу σ^гл _100/σ^надр ₁₀₀≥1,1, а также снизить скорость распространения усталостной трещины в 1,6-1,8 раза. При этом предел прочности и предел текучести у сплава предлагаемого состава имеет более высокий уровень, чем у прототипа.

В результате этого применение предлагаемого сплава для изготовления валов, дисков и других деталей газотурбинных двигателей позволит повысить их ресурс в 1,3-1,5 раза и увеличить время между ремонтами двигателя в 1,4-1,6 раза.

Жаропрочный порошковый сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, алюминий, ниобий, бор, магний, гафний, железо, марганец и кремний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит ванадий, церий, лантан и скандий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,03-0,08
Хром	10,0-12,0
Кобальт	14,0-16,0
Вольфрам	2,5-3,5
Молибден	4,0-5,0
Титан	2,5-3,1
Алюминий	3,5-4,4
Ниобий	3,0-3,5
Бор	0,005-0,05
Магний	0,001-0,05
Гафний	0,005-0,2
Железо	0,01-1,0
Марганец	0,001-0,5
Кремний	0,001-0,5
Ванадий	0,4-0,8
Церий	0,001-0,05
Лантан	0,001-0,08
Скандий	0,001-0,05
Никель	остальное.