Жаропрочный сплав на основе никеля для литья сопловых лопаток газотурбинных установок

Изобретение относится к металлургии, в частности к литейным жаропрочным коррозионностойким сплавам на основе никеля, и может быть использовано для изготовления литьем сопловых (направляющих) лопаток газотурбинных установок с равноосной и монокристаллической структурами, работающих в агрессивных средах при температурах 700-1000°С. Жаропрочный сплав на основе никеля для литья сопловых лопаток газотурбинных установок содержит, мас. %: углерод 0,02-0,10; хром 18,3-19,5; кобальт 3,7-4,7; вольфрам 5,8-6,4; титан 3,7-4,3; тантал 1,3-1,7; алюминий 2,8-3,3; бор 0,002-0,020; ниобий 0,15-0,4; цирконий ≤ 0,03; иттрий ≤ 0,03; молибден 0,15-0,35; гафний 0,10-0,20; марганец ≤ 0,03; кремний ≤ 0,3; железо ≤ 0,5; медь ≤ 0,05; сера ≤ 0,005; фосфор ≤ 0,008; азот ≤ 15 ppm; кислород ≤ 20 ppm и никель - остальное, при этом суммарное содержание алюминия и титана составляет 6,5-7,6 мас. %, а отношение содержания титана к содержанию алюминия ≥ 1,3. Сплав характеризуется повышенной длительной прочностью при рабочих температурах 700-1000°С в сочетании с высоким сопротивлением усталости, окислению и коррозионным воздействиям, а также повышенной структурной стабильностью на ресурс и улучшенными технологическими характеристиками. 2 табл.

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к литейным жаропрочным коррозионностойким сплавам на основе никеля с хромом и кобальтом, и может быть использовано для изготовления литьем с равноосной и монокристаллической структурами сопловых (направляющих) лопаток газотурбинных установок, работающих в агрессивных средах при температурах 700-1000°С.

Известен жаропрочный сплав IN939 на основе никеля для литья лопаток газотурбинных установок, содержащий углерод, хром, кобальт, титан, вольфрам, алюминий, тантал, цирконий, бор, ниобий, церий и никель при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 0,13-0,165; хром 22-22,6; кобальт 18,5-19,4; титан 3,6-3,8; вольфрам 1,9-2,2; алюминий 1,8-2,1 тантал 1,0-1,5; цирконий 0,08-0,12; бор 0,008-0,012; ниобий 0,8-1,2 церий 0,01-0,2; никель - остальное.

("High Temperature Alloys Gas Turbines" "Program Conference Liege" 04-06 October 1982, pp. 369-393.)

Однако данный известный сплав при достаточно высокой коррозионной стойкости имеет пониженную жаропрочность и снижение структурной стабильности на ресурс в процессе наработки.

Наиболее близким по технической сущности является жаропрочный сплав на основе никеля MGA2400 для изготовления литьём с равноосной структурой элементов газовых турбин и сопловых лопаток.

Известный сплав включает углерод, хром, кобальт, вольфрам, титан, алюминий, бор, тантал, цирконий, ниобий, церий, иттрий и никель при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 0,08-0,12; хром 18,5-19,5; кобальт 18,5-19,5; вольфрам 5,8-6,2; титан 3,6-3,8; алюминий 1,8-2,2; бор 0,004-0,012; тантал 1,3-1,5; цирконий 0,08-0,12; ниобий 0,9-1,1; церий и иттрий в сумме до 0,02; никель - остальное.

(I. Okada и др. Development of Ni Base Superalloy of Industrial Gas Turbine, Сб. «Superalloys 2004» под ред. K.A. Green, 2004, стр. 707-712.)

Данный известный сплав имеет высокую жаропрочность, достаточно высокую коррозионную стойкость, но отличается пониженной температурой растворения упрочняющей γ' - фазы и пониженной структурной стабильностью на ресурс - прогнозируется выпадение до 5-6 мас. % σ-фазы и фазы 5 мас. % Ni3Ti, которые существенно понижают пластичность.

Таким образом, известные сплавы при рабочих температурах 700-1000°С, а также воздействии агрессивной среды не соответствуют требованиям, предъявляемых к литым сопловым лопаткам газотурбинных установок по жаропрочности, сопротивлению коррозии, структурной стабильности на ресурс.

Целью изобретения и его техническим результатом является создание жаропрочного сплава на основе никеля для литья с равноосной и монокристаллической структурами сопловых лопаток газотурбинных установок, обладающего повышенной длительной прочностью при рабочих температурах 700-1000°С в сочетании с высоким сопротивлением усталости, окислению и коррозионным воздействиям, а также повышенной структурной стабильностью на ресурс и улучшенными технологическими характеристиками.

Технический результат достигается тем, что жаропрочный сплав на основе никеля для литья сопловых лопаток газотурбинных установок включает углерод, хром, кобальт, вольфрам, титан, тантал, алюминий, бор, ниобий, цирконий, иттрий, молибден, гафний, марганец, кремний, железо, медь, серу, фосфор, азот, кислород и никель при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 0,02-0,10; хром 18,3-19,5; кобальт 3,7-4,7; вольфрам 5,8-6,4; титан 3,7-4,3; тантал 1,3-1,7; алюминий 2,8-3,3; бор 0,002-0,020; ниобий 0,15-0,4; цирконий ≤ 0,03; иттрий ≤ 0,03; молибден 0,15-0,35; гафний 0,10-0,20; марганец ≤ 0,03; кремний ≤ 0,3; железо ≤ 0,5; медь ≤ 0,05; сера ≤ 0,005; фосфор ≤ 0,008; азот ≤ 15 ppm; кислород ≤ 20 ppm и никель - остальное, при этом суммарное содержание алюминия и титана составляет 6,5-7,6 мас. %, а отношение содержания титана к содержанию алюминия ≥ 1,3.

Количество упрочняющей γ'-фазы (Ni3Al) в сплаве по изобретению составляет 43-45 ат.%, что обеспечивает высокий и стабильный уровень служебных характеристик, например, жаропрочность за 103 часов при 900°С: МПа для равноосной структуры и МПа для монокристаллической структуры.

Повышенная (по сравнению с прототипом) на ~ 40°С температура полного растворения γ'-фазы препятствует ее коагуляции, что повышает характеристики жаропрочности.

Введение молибдена в количестве 0,15-0,35 мас. % при оптимальном содержании тантала 1,3-1,7 мас. %, вольфрама 5,8-6,4 мас. % и суммарном содержании алюминия и титана 6,5-7,6 мас. % обеспечивает повышенные характеристики жаропрочности как в равноосном, так и, особенно, в монокристаллическом состоянии. Введение марганца ≤ 0,03 мас. %, кремния ≤ 0,3 мас. % и иттрия ≤ 0,03 мас. %, при отношении содержания титана 3,7-4,3 мас. % к содержанию алюминия 2,8-3,3 мас. % более или равном 1,3 и высокое содержание хрома 18,3-19,5 мас. % приводят к повышенному сопротивлению коррозии.

Ограничение содержания железа ≤ 0,5 мас. %, меди ≤ 0,05 мас. %, серы ≤ 0,005 мас. %, фосфора ≤ 0,008 мас. %, азота ≤ 15 ppm и кислорода ≤ 20 ppm в сочетании с формированием карбидов (на основе никеля, титана, ниобия 0,15-0,4 мас. % и дополнительно введенного гафния 0,10-0,20 мас. %) с оптимальной морфологией, обеспечивает устранение примесных соединений с границ зерен и повышенные пластические характеристики и ударную вязкость, а также способствует получению оптимальной равноосной структуры сплава.

Получение монокристаллической структуры при ограниченном содержании бора и углерода по сравнению с содержанием в равноосной структуре (углерода ≤ 0,1 мас. % и бора ≤ 0,01 мас. %) обеспечивает повышение термоусталостной прочности лопаток в 3-5 раз по сравнению с равноосной структурой.

Достижение поставленного технического результата можно проиллюстрировать данными из таблиц 1 и 2.

Служебные характеристики металла сравниваемых сопловых лопаток были оценены с использованием известной методики ФАКОМП и других известных методик расчета свойств по их химическому составу. Известные методики позволяют с высокой степенью достоверности оценить структурную стабильность на ресурс (образования охрупчивающих фаз), склонность к выделению в литом состоянии неравновесных эвтектических фаз, на месте которых при термообработке литых лопаток образуются поры и трещины, характеристики длительной прочности, критические точки металла лопатки и другие ее физико-механические свойства.

(H. Harada и др., Сб. Superalloys, 1988; p.p. 733-742; H. Harada и др., Сб. Superalloys, 2000; p.p. 729-736; H. Harada, Сб. Alloys Design for Nickel-base Superalloys, 1982, p.p. 721-735; Компьютерная программа «Расчетная система суперсплавов» №2007612023 ФСИСПТ от 17.05.2007 г.)

Из представленных данных, полученных с использованием известных расчетных методик, служебных характеристик жаропрочных сплавов на основе никеля, видно, что сплав по изобретению с равноосной и монокристаллической структурами превосходит известные сплавы по комплексу служебных характеристик.

При примерно равных показателях сопротивления окислению и коррозионным воздействиям сплав по изобретению с равноосной структурой имеет заметно более высокие по сравнению с прототипом на ~10% для равноосной структуры и на ~19% для монокристаллической структуры показатели жаропрочности, а также более высокую стабильность на ресурс (в нем не прогнозируется выпадение охрупчивающих фаз).

Повышенная жаропрочность и термоусталость в монокристаллическом состоянии сплава приведет к продлению ресурса лопаток.

Достижение поставленного технического результата дает возможность использовать сплав по изобретению для изготовления литьем с равноосной и монокристаллической структурами сопловых лопаток газотурбинных установок с рабочими температурами по металлу 700-1000°С при том, что цена шихтовых материалов дешевле на ~17% по сравнению с прототипом.

Жаропрочный сплав на основе никеля для литья сопловых лопаток газотурбинных установок, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, титан, тантал, алюминий, бор, ниобий, цирконий, иттрий и никель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит молибден, гафний, марганец, кремний, железо, медь, серу, фосфор, азот и кислород при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 0,02-0,10; хром 18,3-19,5; кобальт 3,7-4,7; вольфрам 5,8-6,4; титан 3,7-4,3; тантал 1,3-1,7; алюминий 2,8-3,3; бор 0,002-0,020; ниобий 0,15-0,4; цирконий ≤0,03; иттрий ≤0,03; молибден 0,15-0,35; гафний 0,10-0,20; марганец ≤0,03; кремний ≤0,3; железо ≤0,5; медь ≤0,05; сера ≤0,005; фосфор ≤0,008; азот ≤15 ppm; кислород ≤20 ppm и никель - остальное, при этом суммарное содержание алюминия и титана составляет 6,5-7,6 мас. %, а отношение содержания титана к содержанию алюминия ≥1,3.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу и оснастке для осаждения из паровой фазы металлического покрытия на детали из жаропрочного сплава и может быть использовано для нанесения такого покрытия на детали турбомашин, подвижные лопатки или лопатки статора газотурбинного двигателя.

Металлическая усиливающая деталь турбомашины для установки на переднюю кромку или заднюю кромку композитной лопатки турбомашины, такой как лопатка вентилятора турбореактивного или турбовинтового двигателя самолета, содержит усилительные средства, расположенные на сердцевине металлической усиливающей детали в полостях соединительных поверхностей двух металлических усилительных листов.

Компонент газотурбинного двигателя содержит внутренний бандаж, наружный бандаж и направляющие лопатки, выполненные из композиционного материала, имеющего переплетенное волоконное армирование, уплотненное матрицей.

Направляющий лопаточный венец, предназначенный для последней ступени паровой турбины и содержащий направляющие лопаточные узлы, которые ограничивают кольцевую камеру и каждый из которых содержит удлиненную лопаточную часть.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам для защиты лопаток паровых турбин от ударно-капельной эрозии. Сплав на основе кобальта для наплавки на лопатки паровой турбины содержит: B 1,5-5, C 0,5-1, Cr 15-18, Fe 10-12, Ni 5-10, Mo 2-4, Si 2-4, Mn 5-8, Cu 2-5, W 10-12, Co - остальное.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к защитным покрытиям для компонентов газовой турбины. Защитное покрытие компонента газовой турбины содержит, вес.%: Со 15-39, Cr 10-25, Al 5-15, Y 0,05-1, Fe 0,5-10, Mo 0,05-2, никель и примеси - остальное.

Изобретение относится к сопловому аппарату для газовой турбины. Сопловой аппарат содержит первое перо, содержащее первую спинку и первое корыто, второе перо, содержащее вторую спинку и второе корыто, внутренний бандаж и наружный бандаж.

Вентилятор авиационного двигателя содержит ротор, имеющий множество лопаток из композитного материала, включающего тканые волокна, и систему для обнаружения деформации в результате столкновения тела с вентилятором.

Изобретение относится к области турбостроения. Авиационный газотурбинный двигатель, содержащий вентилятор и компрессор, которые выполнены из композиционного материала.

Система соединения металлического компонента и компонента из композиционного материала с керамической матрицей включает фиксирующий штифт, втулку из пенометалла, первое отверстие в металлическом компоненте и второе отверстие в компоненте из композиционного материала с керамической матрицей.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к жаропрочным сплавам, и может быть использовано при изготовлении труб, листа, поковок и другого оборудования, работающего в коррозионных средах, а также для сосудов и аппаратов, работающих при высоком давлении в диапазоне температур от минус 196°C до плюс 790°C и давлении до 50 атм.

Изобретение относится к области металлургии, в частности легированным сплавам на основе γ-TiAl. Интерметаллический сплав на основе TiAl содержит, ат.%: алюминий 44-46, ниобий 5-7, хром 1-3, цирконий 1-2, бор 0,1-0,5, лантан ≤0,2, титан - остальное.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным сплавам, которые могут быть использованы для изготовления реакционных труб установок производства этилена с рабочими режимами при температуре плюс 900÷1160°С и давлением до 6 атмосфер.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным сплавам, которые могут быть использованы для изготовления реакционных труб нефтегазоперерабатывающих установок с рабочими режимами при температуре 800÷1150°С и давлением до 46 атмосфер.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к изготовлению полосы из магнитомягкого сплава. Способ изготовления полосы из магнитомягкого сплава толщиной менее 0,6 мм, пригодной для механической резки, включает холодную прокатку полосы, полученной горячей прокаткой полуфабриката, затем полосу подвергают непрерывному отжигу пропусканием через печь непрерывного действия при температуре в пределах от температуры перехода упорядочения/разупорядочения сплава до температуры начала ферритно-аустенитного превращения сплава, причем скорость движения полосы устанавливают таким образом, чтобы время выдержки полосы в печи непрерывного действия при температуре отжига составляло меньше 10 минут.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к никель-хромовым сплавам для бесшовных нефтепромысловых труб. Ni-Cr сплав содержит, мас.%: Si от 0,01 до 0,5, Mn от 0,01 до менее чем 1,0, Cu от 0,01 до менее чем 1,0, Ni от 48 до менее чем 55, Cr от 22 до 28, Mo от 5,6 до менее чем 7,0, N от 0,04 до 0,16, растворимый Al от 0,03 до 0,20, РЗМ от 0,01 до 0,074, W от 0 или более и менее чем 8,0, Co от 0 до 2,0, один или элементов из Ca и Mg от 0,0003 до 0,01 в сумме, и один или более элементов из Ti, Nb, Zr и V от 0 до 0,5 в сумме, Fe и примеси – остальное.

Изобретение относится к области металлургии, в частности, к составам сплавов на основе никеля, которые могут быть использованы для изготовления деталей двигателей, тепловых агрегатов, печей, металлургического оборудования.

Изобретение относится к области металлургии, в частности, к составам сплавов на основе никеля, которые могут быть использованы, например, для изготовления деталей двигателей, труб.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано в газотурбинном двигателестроении при производстве рабочих и сопловых охлаждаемых лопаток с монокристаллической структурой.

Изобретение относится к области металлургии, в частности легированным сплавам на основе TiAl с преобладающей фазой γ-TiAl, и может быть использовано при изготовлении компонентов авиационных газотурбинных двигателей.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к жаропрочным сплавам, и может быть использовано при изготовлении труб, листа, поковок и другого оборудования, работающего в коррозионных средах, а также для сосудов и аппаратов, работающих при высоком давлении в диапазоне температур от минус 196°C до плюс 790°C и давлении до 50 атм.

Изобретение относится к металлургии, в частности к литейным жаропрочным коррозионностойким сплавам на основе никеля, и может быть использовано для изготовления литьем сопловых лопаток газотурбинных установок с равноосной и монокристаллической структурами, работающих в агрессивных средах при температурах 700-1000°С. Жаропрочный сплав на основе никеля для литья сопловых лопаток газотурбинных установок содержит, мас. : углерод 0,02-0,10; хром 18,3-19,5; кобальт 3,7-4,7; вольфрам 5,8-6,4; титан 3,7-4,3; тантал 1,3-1,7; алюминий 2,8-3,3; бор 0,002-0,020; ниобий 0,15-0,4; цирконий ≤ 0,03; иттрий ≤ 0,03; молибден 0,15-0,35; гафний 0,10-0,20; марганец ≤ 0,03; кремний ≤ 0,3; железо ≤ 0,5; медь ≤ 0,05; сера ≤ 0,005; фосфор ≤ 0,008; азот ≤ 15 ppm; кислород ≤ 20 ppm и никель - остальное, при этом суммарное содержание алюминия и титана составляет 6,5-7,6 мас. , а отношение содержания титана к содержанию алюминия ≥ 1,3. Сплав характеризуется повышенной длительной прочностью при рабочих температурах 700-1000°С в сочетании с высоким сопротивлением усталости, окислению и коррозионным воздействиям, а также повышенной структурной стабильностью на ресурс и улучшенными технологическими характеристиками. 2 табл.

Наверх