Жаропрочный гранулированный сплав на основе никеля
Владельцы патента RU 2386714:
Открытое акционерное общество "Композит" (ОАО "Композит") (RU)
Изобретение относится к металлургии сплавов, а именно к производству никелевых жаропрочных сплавов, используемых для изготовления теплонагруженных деталей, например корпусов газотурбинных двигателей, работающих в условиях высоких температур и напряжений. Предложен жаропрочный гранулированный сплав на основе никеля, содержащий, мас %.: углерод 0,03-0,06, хром 4,0-5,0, кобальт 11,0-13,0, вольфрам 8,0-10,0, молибден 3,0-5,0, титан 2,0-2,5, алюминий 4,5-5,0, ниобий 1,5-2,0, тантал 1,0-2,0, гафний 0,4-0,5, бор 0,005-0,015, цирконий 0,001-0,01, церий 0,001-0,01, лантан 0,001-0,01, иттрий 0,001-0,01, никель - остальное. Сплав обладает высокой жаропрочностью, имеет высокую температуру полного растворения упрочняющей γ'-фазы и высокий уровень значений размерного несоответствия Δ параметров кристаллических решеток γ- и γ'-фаз. 1 табл.
Изобретение относится к металлургии сплавов, а именно к производству никелевых жаропрочных сплавов, используемых для изготовления теплонагруженных деталей, например, корпусов газотурбинных двигателей, работающих в условиях высоких температур и напряжений.
Известен никелевый жаропрочный сплав для деталей газовых турбин, состава (в мас.%):
| углерод | 0,02-0,1 |
| хром | 9,0-11,0 |
| кобальт | 14,0-16,0 |
| вольфрам | 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 | 0,001-0,005 |
| магний | 0,001-0,05 |
| никель | основа |
(Патент РФ 2257420, C22C 19/05, 2005 год)
Этот сплав с большим содержанием элементов, образующих упрочняющую γ'-фазу, обладает высокой прочностью при комнатной температуре. Недостатком этого сплава является высокая скорость распространения усталостной трещины при рабочих температурах.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения, взятым за прототип, является никелевый жаропрочный сплав по пат. RU №2294393, кл. C22C 19/05, следующего состава (мас.%):
| углерод | 0,02-0,1 |
| 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 | основа |
Недостатком этого сплава можно считать недостаточно высокие значения жаропрочности гранул при температуре 900°С, а следовательно, низкую надежность изделия из сплава в условиях кратковременного повышения температуры выше рабочей температуры.
Задачей предлагаемого изобретения является создание жаропрочного гранулированного сплава на основе никеля, обладающего повышенным значением жаропрочности при температуре 900°С.
Технический результат - повышение характеристик жаропрочности и параметров, характеризующих структурно-фазовую стабильность, создание двигательных установок нового поколения.
Для решения поставленной задачи предлагается жаропрочный гранулированный сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, алюминий, ниобий, гафний, бор, цирконий, при этом он дополнительно содержит тантал, церий, лантан, иттрий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| углерод | 0,03-0,06 |
| хром | 4,0-5,0 |
| кобальт | 11,0-13,0 |
| вольфрам | 8,0-10,0 |
| молибден | 3,0-5,0 |
| титан | 2,0-2,5 |
| алюминий | 4,5-5,0 |
| ниобий | 1,5-2,0 |
| тантал | 1,0-2,0 |
| гафний | 0,4-0,5 |
| бор | 0,005-0,015 |
| цирконий | 0,001-0,01 |
| церий | 0,001-0,01 |
| лантан | 0,001-0,01 |
| иттрий | 0,001-0,01 |
| никель | основа |
Пример конкретного выполнения.
Методом гранульной металлургии был изготовлен и опробован сплав предлагаемого состава
| углерод | 0,04 |
| хром | 4,5 |
| кобальт | 12,0 |
| вольфрам | 9,0 |
| молибден | 4,0 |
| титан | 2,2 |
| алюминий | 4,7 |
| ниобий | 1,7 |
| тантал | 1,5 |
| гафний | 0,5 |
| бор | 0,015 |
| цирконий | 0,01 |
| церий | 0,01 |
| лантан | 0,01 |
| иттрий | 0,01 |
| никель | основа |
Также был получен сплав по составу-прототипу. При получении заявленного сплава и сплава-прототипа методом гранульной металлургии слитки, выплавленные в вакуумной индукционной печи и отлитые в кокиль, механически обрабатывались до устранения «черновин», а затем распылялись на гранулы размером 40-250 мкм в установке УЦР-2.
Для получения компактных заготовок из сплавов гранулы в капсулах из Ст20 подвергались обработке в газостате.
Механические испытания образцов проводили в атмосфере воздуха при температуре 900°С, определение параметров кристаллических решеток γ- и γ' фаз осуществлялось при комнатной температуре. Температуры полного растворения упрочняющей γ'-фазы Tп.p определяли методом дифференциального термического анализа. Свойства предлагаемого сплава и сплава-прототипа представлены в таблице 1.
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 вольфрама 8,0-10,0 мас.% снижает диффузионные процессы в сплаве при высокой температуре, существенно повышая термостабильность упрочняющей γ'-фазы и прочностные характеристики сплава Наличие 1,0-2,0 мас.% тантала эффективно упрочняет γ'-фазу, что приводит к увеличению термостабильности и жаропрочности сплава в целом. Снижение содержания хрома до 4-5% вызвано тем, в сложнолегированном многокомпонентном твердом растворе растворимость хрома уменьшается и тогда он образует самостоятельные фазы, что приводит к ухудшению свойств сплава как из-за возникновения фаз неблагоприятной морфологии, так и вследствие обеднения основных фаз необходимыми для их стабильности легирующими элементами. Кроме того, в высокожаропрочных сплавах хром уменьшает количество образующейся при распаде γ'-фазы, ухудшает ее термостабильность и тем самым оказывает отрицательное влияние на долговечность и пластичность Вместе с тем снижение содержания хрома приводит к неизбежному снижению жаростойкости [1]. С целью повышения стойкости сплава к высокотемпературному окислению введены добавки редкоземельных элементов: 0,01% церия, 0,01% лантана и 0,01% иттрия.
При сравнении полученных результатов видно, что предлагаемый сплав обладает более высоким значением жаропрочности (прочности при 900°С), имеет более высокую температуру полного растворения упрочняющей γ'-фазы Тп.р и уровень значений размерного несоответствия Δ параметров кристаллических решеток γ- и γ'-фаз, что позволяет достичь более высокого уровня жаропрочности.
Использование предлагаемого жаропрочного гранулированного сплава на основе никеля позволяет создавать двигательные установки нового поколения.
| Таблица 1 | |||
| Свойства предлагаемого сплава и сплава-прототипа | |||
| свойства | σв 900, МПа | Тп.р, °С | Δ=2(аγ-аγ')/(аγ+аγ'), % |
| Заявленный сплав | 800 | 1251 | 0,12 |
| Прототип | 700 | 1189 | 0,09 |
Источники информации
1. Колачев Б.А., Елагин В.И., Ливанов В.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. - М.: МИСИС, 2001 г.
Жаропрочный гранулированный сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, алюминий, ниобий, гафний, бор, цирконий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит тантал, церий, лантан, иттрий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| углерод | 0,03-0,06 |
| хром | 4,0-5,0 |
| кобальт | 11,0-13,0 |
| вольфрам | 8,0-10,0 |
| молибден | 3,0-5,0 |
| титан | 2,0-2,5 |
| алюминий | 4,5-5,0 |
| ниобий | 1,5-2,0 |
| тантал | 1,0-2,0 |
| гафний | 0,4-0,5 |
| бор | 0,005-0,015 |
| цирконий | 0,001-0,01 |
| церий | 0,001-0,01 |
| лантан | 0,001-0,01 |
| иттрий | 0,001-0,01 |
| никель | остальное |
