Жаропрочный сплав на основе никеля
Владельцы патента RU 2402624:
Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) (RU)
Изобретение относится к металлургии сплавов, в частности к производству жаропрочных сплавов на основе никеля, предназначенных для изготовления методом направленной кристаллизации из них изделий с монокристаллической и направленной структурой, например лопаток газовых турбин, работающих длительно при температурах до 1150°С. Жаропрочный сплав содержит, мас.%: хром 2,5-4,5, кобальт 5,0-6,0, алюминий 5,4-6,0, вольфрам 3,5-4,5, молибден 2,8-3,8, тантал 5,3-6,3, рений 5,8-6,8, рутений 4,6-6,4, церий 0,001-0,02, лантан 0,002-0,1, неодим 0,0005-0,01, иттрий 0,002-0,02, углерод 0,002-0,05, бор 0,0004-0,004, магний и/или кальций 0,001-0,009, никель - остальное. Технический результат - улучшение жаростойкости, повышение длительной прочности при рабочих температурах 900-1150°С. 2 табл.
Изобретение относится к металлургии сплавов, в частности к производству жаропрочных сплавов на основе никеля, предназначенных для изготовления методом направленной кристаллизации из них изделий с монокристаллической и направленной структурой, например лопаток газовых турбин, работающих длительно при температурах до 1150°С.
Известен жаропрочный сплав на основе никеля следующего химического состава, мас.%:
| Хром | 2,0-5,0 |
| Кобальт | 0,1-15,0 |
| Алюминий | 5,0-7,0 |
| Вольфрам | 4,0-8,0 |
| Молибден | 2,9-4,5 |
| Тантал | 4,0-8,0 |
| Рений | 3,0-6,0 |
| Рутений | 1,0-4,0 |
| Гафний | 0,01-0,5 |
| Никель | остальное |
(заявка US №2003/0075247)
Известный сплав обладает недостаточно высокими характеристиками жаростойкости и длительной прочности: при рабочей температуре 1100°С потеря удельной массы сплава за 500 часов статического окисления составляет ~500 г/м2, время до разрушения при испытании на длительную прочность при напряжении 137,2 МПа составляет 412,3 часа.
Известен жаропрочный сплав на основе никеля марки TMS-196 следующего химического состава, мас.%:
| Хром | 4,6 |
| Кобальт | 5,6 |
| Алюминий | 5,6 |
| Вольфрам | 5,0 |
| Молибден | 2,4 |
| Тантал | 5,6 |
| Рений | 6,4 |
| Рутений | 5,0 |
| Гафний | 0,1 |
| Никель | остальное |
(A. Sato, H. Harada, An-C. Yen, at al. «A 5th generation SC superalloy with balanced high temperature properties and rocessability» //Superalloys 2008. R.C. Reed, K.A. Green, p. Caron et al. (Eds). Publ. of the Minerals, Metals & Materials Society. Seven Springs Mountain Resort, Champion (Pennsylvania), 2008, pp.131-138)
Известный сплав имеет низкую жаростойкость: при рабочей температуре 1100°С удельная потеря массы сплава за 20 циклов окисления общей длительностью 100 часов составляет ~90 г/м2.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является жаропрочный сплав на основе никеля.
Жаропрочный сплав на основе никеля имеет следующий химический состав, мас.%:
| Хром | 2,1-3,3 |
| Кобальт | 5,0-7,0 |
| Алюминий | 5,7-6,3 |
| Вольфрам | 3,2-4,8 |
| Молибден | 3,5-5,0 |
| Тантал | 4,0-5,0 |
| Рений | 5,6-7,0 |
| Рутений | 2,0-6,0 |
| Церий | 0,001-0,02 |
| Лантан | 0,002-0,25 |
| Неодим | 0,0005-0,01 |
| Иттрий | 0,002-0,02 |
| Углерод | 0,002-0,02 |
| Бор | 0,0004-0,004 |
| Никель | остальное (патент РФ №2293782) |
Дополнительные исследования показали, что сплав-прототип обладает недостаточно высокой жаростойкостью и длительной прочностью.
Технической задачей предлагаемого изобретения является улучшение жаростойкости и повышение длительной прочности жаропрочного сплава на основе никеля при рабочих температурах 900-1150°С.
Для достижения поставленной технической задачи предложен жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий хром, кобальт, алюминий, вольфрам, молибден, тантал, рений, рутений, церий, лантан, неодим, иттрий, углерод, бор, который дополнительно содержит магний и/или кальций, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Хром | 2,5-4,5 |
| Кобальт | 5,0-6,0 |
| Алюминий | 5,4-6,0 |
| Вольфрам | 3,5-4,5 |
| Молибден | 2,8-3,8 |
| Тантал | 5,3-6,3 |
| Рений | 5,8-6,8 |
| Рутений | 4,6-6,4 |
| Церий | 0,001-0,02 |
| Лантан | 0,002-0,1 |
| Неодим | 0,0005-0,01 |
| Иттрий | 0,002-0,02 |
| Углерод | 0,002-0,05 |
| Бор | 0,0004-0,004 |
| магний и/или | |
| кальций | 0,001-0,009 |
| Никель | остальное |
В металлургии жаропрочных сплавов на основе никеля с равноосной структурой известна положительная роль микролегирования магнием и/или кальцием, заключающаяся в повышении когезивной прочности границ зерен. Вместе с тем также известно, что в жаропрочные сплавы на основе никеля с монокристаллической и направленной структурой магний и кальций не вводятся, поскольку эти элементы значительно снижают температуру плавления никеля.
Однако было установлено, что введение магния и/или кальция в жаропрочный сплав на основе никеля при заявленном содержании и соотношении компонентов приводит к повышению характеристик жаростойкости и длительной прочности сплава в связи со способностью этих элементов образовывать тугоплавкие сульфиды и оксиды в виде высокодисперсных частиц с неизбежными примесями серы и кислорода.
Образование указанных химических соединений обусловлено тем, что в процессе кристаллизации магний и/или кальций из-за весьма низких коэффициентов распределения (K~0,001) сегрегируют в расплав и накапливаются в локальных объемах перед движущимся фронтом роста дендритных ветвей монокристаллической и направленно закристаллизованной отливки сплава, достигая при этом необходимых концентраций. Из-за рафинирующего эффекта содержание неизбежных вредных примесей серы и кислорода в объеме затвердевшего сплава понижается и, следовательно, снижается их отрицательное воздействие на жаростойкость и длительную прочность сплава, а также повышается способность сплава к формированию при направленной кристаллизации монокристаллической и столбчатой структуры. В результате повышается структурное совершенство сплава, способствуя улучшению жаростойкости и длительной прочности.
Пример осуществления
В вакуумной индукционной печи были выплавлены четыре сплава предлагаемого состава и один сплав состава, взятого за прототип. Содержание компонентов (мас.%) в композициях сплавов приведено в таблице 1. Затем эти сплавы переплавляли в вакуумной печи для направленной кристаллизации и получали цилиндрические отливки диаметром 16 мм и длиной 190 мм. Далее эти отливки подвергали термической обработке и изготавливали из них образцы для испытаний на жаростойкость и длительную прочность.
Полученные результаты испытаний на жаростойкость и длительную прочность сплавов приведены в таблице 2.
Как видно из таблицы 2, предлагаемый сплав имеет более высокую (на 30-40%) жаростойкость, чем сплав, взятый за прототип. Характеристики длительной прочности - долговечность (время до разрушения) предлагаемого сплава при температуре 900°С больше в 1,9 раза, при температуре 1100°С больше в 2,3 раза, при температуре 1150°С больше в 1,5, чем сплава, взятого за прототип.
Таким образом, предлагаемый жаропрочный сплав на основе никеля значительно превосходит сплав-прототип по характеристикам жаростойкости и длительной прочности, что позволяет повысить надежность и ресурс турбинных лопаток в интервале рабочих температур 900-1150°C.
| Таблица 2 | ||||||
| Пример | Характеристики жаростойкости при Т=1100°С за 20 циклов окисления общей длительностью 100 час | Время до разрушения при испытании на длительную прочность, час | ||||
| Потеря удельной массы, г/м2 | Глубина коррозии, мкм | Т=900°С σ=450 МПа | Т=1100°С σ=130 МПа | Т=1150°С σ=100 МПа | ||
| 1 | Сплав-прототип | 35 | 43 | 619 | 831 | 295 |
| 2 | Заявляемый сплав | 18 | 29 | 1220 | 1754 | 448 |
| 3 | 20 | 30 | 1189 | 2062 | 469 | |
| 4 | 23 | 33 | 1309 | 1698 | 431 | |
| 5 | 25 | 32 | 1205 | 1975 | 492 |
Жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий хром, кобальт, алюминий, вольфрам, молибден, тантал, рений, рутений, церий, лантан, неодим, иттрий, углерод, бор, отличающийся тем, что он дополнительно содержит магний и/или кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| хром | 2,5-4,5 |
| кобальт | 5,0-6,0 |
| алюминий | 5,4-6,0 |
| вольфрам | 3,5-4,5 |
| молибден | 2,8-3,8 |
| тантал | 5,3-6,3 |
| рений | 5,8-6,8 |
| рутений | 4,6-6,4 |
| церий | 0,001-0,02 |
| лантан | 0,002-0,1 |
| неодим | 0,0005-0,01 |
| иттрий | 0,002-0,02 |
| углерод | 0,002-0,05 |
| бор | 0,0004-0,004 |
| магний | |
| и/или кальций | 0,001-0,009 |
| никель | остальное |
