Жаропрочный литейный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него

Изобретение относится к металлургии, а именно к литейным коррозионно-стойким жаропрочным сплавам на основе никеля, предназначенным для литья деталей горячего тракта газотурбинных двигателей и установок с монокристаллической структурой, длительно работающих в агрессивных средах при температурах до 700-1000°С. Жаропрочный литейный сплав на основе никеля, содержащий, мас. %: углерод до 0,02; хром 11,5-13,0; кобальт 8-9,5; вольфрам 6-7,5; молибден 0,1-0,7; титан 4,0-5,0; алюминий 3,7-4,5; ниобий 0,8-1,2; марганец до 0,30; кремний до 0,30; магний до 0,10; кальций до 0,05; лантан до 0,20; церий до 0,20; иттрий до 0,20; празеодим до 0,20: неодим до 0,20; барий до 0,10; никель - остальное. Повышаются значения длительной прочности при температурах 900-1000°С и стойкости к сульфидно-оксидной и хлоридной коррозии. Сплав характеризуется повышенной структурной стабильностью сплава на ресурс. 2 н.п. ф-лы, 2 табл., 5 пр.

 

Изобретение относится к металлургии, а именно к литейным коррозионностойким жаропрочным сплавам на основе никеля, предназначенным для литья деталей горячего тракта газотурбинных двигателей и установок с монокристаллической структурой, например, рабочих лопаток газовой турбины, длительно работающих в агрессивных средах при температурах до 700-1000°С.

Известен жаропрочный сплав на основе никеля следующего химического состава, масс. %:

алюминий	3,35-3,65
титан	4,85-5,15
тантал	2,3-2,7
хром	11,50-12,50
кобальт	11,50-12,50
железо	0,0-0,15
медь	0,0-0,10
вольфрам	3,3-3,7
молибден	1,7-2,10
углерод примерно	0,04-0,12
бор	0,010-0,020
цирконий	0,0-20 миллионных долей
гафний	0,0-0,05
сера	0,0-0,0012
азот	0,0-25 миллионных долей
кислород	0,0-10 миллионных долей
никель и случайные примеси	остальное

(RU 2443792 С2, 27.02.2012).

Сплав отличается пониженной структурной стабильностью при длительной работе, связанной с выпадением охрупчивающей σ-фазы, которая существенно понижает жаропрочность сплава, а также пониженной коррозионной стойкостью. Кроме того, из-за высокого содержания тантала (до 5 масс. %) сплав достаточно дорогой.

Известен жаропрочный сплав на основе никеля следующего химического состава, масс. %:

углерод	0,07-0,12
хром	12,9-13,5
кобальт	5,3-5,9
вольфрам	6,7-7,3
молибден	0,8-1,20
алюминий	3,2-3,5
титан	4,4-4,7
бор	0,010-0,015
медь	≤0,04
сера	≤0,005
фосфор	≤0,005
азот	≤15 ppm
кислород	≤15 ppm
кальций	≤0,02
магний	≤0,02
марганец	0,01-0,3
по меньшей мере два элемента, выбранные из
группы: железо, кремний и барий	≤0,2
каждого по меньшей мере два элемента, выбранные из
группы: иттрий, лантан, неодим и самарий	0,005-0,05 каждого
никель	остальное

(RU 2562202 С1, 10.09.2015).

Данный сплав имеет умеренные характеристики коррозионной стойкости, пластичности и невысокие значения длительной прочности при рабочих температурах.

Наиболее близким аналогом является жаропрочный сплав на основе никеля для литья рабочих лопаток газотурбинных установок, содержащий, масс. %:

углерод	0,005-0,12
хром	11,5-12,4
кобальт	8,0-8,7
вольфрам	6,7-7,4
молибден	0,25-0,55
титан	4,0-4,2
алюминий	3,9-4,2
бор	0,001-0,012
марганец	≤0,12
кремний	≤0,10
ниобий	0,8-1,0
магний	≤0,12
кальций	≤0,12
медь	≤0,05
железо	≤0,1
сера	≤0,005
фосфор	≤0,005
азот	≤10 ppm
кислород	≤10 ppm
никель	остальное.

Отношение содержания титана к содержанию алюминия составляет 0,95-1,07 (RU 2542194 С1, 20.02.2015).

Сплав, взятый за прототип, имеет невысокие характеристики длительной прочности и пониженную коррозионную стойкость при рабочих температурах 700-1000°С.

Таким образом, известные сплавы при рабочих температурах 700-1000°С не обладают оптимальным сочетанием служебных свойств (жаропрочность, пластичность, сопротивление высокотемпературной коррозии, структурная стабильность в процессе эксплуатации).

Задачей предложенного изобретения является разработка жаропрочного литейного сплава на основе никеля с улучшенным сочетанием служебных свойств.

Техническим результатом предложенного изобретения является повышение длительной прочности при температурах 900-1000°С с одновременным повышением стойкости к сульфидно-оксидной и хлоридной коррозии, а также повышение структурной стабильности сплава на ресурс.

Для достижения технического результата предложен жаропрочный литейный коррозионностойких сплав на никелевой основе, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, алюминий, ниобий, марганец, кремний, магний, кальций, а также лантан, церий, иттрий, празеодим, неодим, барий при следующем соотношении компонентов, масс. %:

углерод	до 0,02
хром	11,5-13,0
кобальт	8-9,5
вольфрам	6-7,5
молибден	0,1-0,7
титан	4,0-5,0
алюминий	3,7-4,5
ниобий	0,8-1,2
марганец	до 0,30
кремний	до 0,30
магний	до 0,10
кальций	до 0,10
лантан	до 0,20
церий	до 0,20
иттрий	до 0,20
празеодим	до 0,20
неодим	до 0,20
барий	до 0,10
никель	остальное.

Также предложено изделие, выполненное из данного сплава.

Было установлено, что комплексное введение в сплав лантана, церия, иттрия, празеодима и неодима в присутствии марганца и кремния позволяют повысить высокотемпературную коррозионную стойкость сплава в хлоридной и сульфидно-оксидной средах. Указанные добавки создают защитный барьерный слой на поверхности металла за счет их внутреннего окисления и тем самым тормозят диффузионные потоки ионов серы и кислорода с поверхности вглубь металла.

Кроме того, лантан, церий, иттрий, празеодим и неодим способствуют выделению из γ-твердого раствора ультрадисперсных наночастиц γ'-фазы размером до 100 нм, которые являются препятствием для перемещения дислокаций в процессе высокотемпературной ползучести, тем самым обеспечивая повышение жаропрочности.

Барий является эффективным раскислителем, и его введение в расплав перед присадкой лантана, церия, иттрия, празеодима и неодима позволяет повысить и стабилизировать степень усвоения этих элементов.

Ограничение содержания углерода до 0,02 масс. % наряду с введением в сплав лантана, церия, иттрия, празеодима и неодима позволяют повысить структурную стабильность сплава на ресурс за счет замедления диффузионных процессов при высокотемпературной ползучести и исключения появления в процессе наработки охрупчивающих фаз.

Пример осуществления.

В вакуумной индукционной печи ВИАМ2002 были проведены пять плавок предлагаемого сплава и одна плавка сплава, взятого за прототип. Масса каждой плавки составляла 10 кг. Все плавки были переплавлены в установке направленной кристаллизации УВНК-9А и отлиты в блоки с заготовками под образцы с монокристаллической структурой с кристаллографической ориентацией <001>.

После проведения термической обработки из заготовок были изготовлены образцы для испытаний на длительную прочность при высоких температурах, а также образцы для испытаний на сульфидно-оксидную и хлоридную коррозию.

Составы образцов сплавов приведены в таблице 1.

Испытания на длительную прочность проводили по ГОСТ 10145-81 при температуре 900°С и напряжениях 375, 350 и 275 МПа на базе 100 -1000 часов, а также при температуре 1000°С и напряжении 130 МПа на базе 1000 часов. От каждой плавки было испытано по два образца.

Испытания на коррозию проводили по циклическому режиму. Один цикл испытаний включал:

- нанесение на горячую поверхность образцов солевой корки водного раствора смеси солей 75% Na₂SO₄+25% NaCl (для сульфидно-оксидной коррозии) или 3,5% водного раствора NaCl (для хлоридной коррозии);

- выдержку образцов при Т=850°С в течение 1 часа в нагревательной печи;

- охлаждение на воздухе.

Общая продолжительность испытаний - 30 циклов.

Оценку стойкости образцов к коррозии проводили по удельному изменению (убыли) массы путем взвешивания образцов через каждые 5 циклов.

Каждый вид испытаний на коррозионную стойкость проводили над 6-ю образцами, после чего высчитывали усредненное значение их удельного изменения (убыли) массы.

Результаты испытаний на длительную прочность и стойкость образцов сплава к сульфидно-оксидной и хлоридной коррозии приведены в таблице 2.

Полученные результаты показывают, что долговечность предлагаемого сплава при испытаниях на длительную прочность при всех режимах заметно превосходит долговечность сплава - прототипа, т.е. предлагаемый сплав обладает более высоким уровнем жаропрочности.

Он также обладает высокой коррозионной стойкостью при температуре испытаний 850°С: удельное изменение (убыль) массы образцов как при сульфидно-оксидной, так и при хлоридной коррозии приблизительно в 2 раза меньше, чем у сплава-прототипа.

Металлографический анализ структуры разрушенных образцов после испытаний на длительную прочность при температурах 900 и 1000°С и напряжении 275 и 140 МПа соответственно на базе более 1000 часов (табл. 2) не выявил образования охрупчивающих ТПУ-фаз (σ, μ и др.), что подтверждает высокую фазовую и структурную стабильность предлагаемого сплава.

Таким образом, предлагаемый сплав существенно превосходит сплав-прототип по долговечности и коррозионной стойкости, обладает фазовой стабильностью, что позволяет повысить ресурс работы и надежность изделий газотурбинных двигателей и установок, длительно работающих в агрессивных средах при повышенных температурах и напряжениях.

* элементы в сплаве присутствуют, но в меньшем количестве, нежели предел чувствительности метода определения концентрации компонентов (менее 0,00005 масс. %)

1. Жаропрочный литейный сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, алюминий, ниобий, марганец, кремний, магний и кальций, отличающийся тем, что он дополнительно содержит лантан, церий, иттрий, празеодим, неодим и барий при следующем соотношении компонентов, мас. %:

углерод	до 0,02
хром	11,5-13,0
кобальт	8-9,5
вольфрам	6-7,5
молибден	0,1-0,7
титан	4,0-5,0
алюминий	3,7-4,5
ниобий	0,8-1,2
марганец	до 0,30
кремний	до 0,30
магний	до 0,10
кальций	до 0,10
лантан	до 0,20
церий	до 0,20
иттрий	до 0,20
празеодим	до 0,20
неодим	до 0,20
барий	до 0,10
никель	- остальное

2. Изделие из жаропрочного литейного сплава на основе никеля, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п. 1.