Жаропрочный литейный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него
Владельцы патента RU 2684000:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU)
Изобретение относится к металлургии, в частности к коррозионно-стойким жаропрочным сплавам для деталей горячего тракта газотурбинных двигателей и установок, длительно работающих в агрессивных средах при температурах до 700-1000°С. Жаропрочный литейный сплав на основе никеля содержит, мас.%: углерод 0,03-0,15, хром 11-14, кобальт 8-10, молибден 1,3-2,5, вольфрам 3,4-4,6, тантал 3,5-5,0, ниобий до 1,0, алюминий 2,8-4,2, титан 3,3-4,6, бор 0,005-0,03, цирконий 0,01-0,10, гафний до 0,6, барий до 0,10, лантан до 0,2, иттрий до 0,2, церий до 0,2, никель - остальное. Сплав характеризуется высокими значениями длительной прочности при температурах 927-982°С, стойкости к сульфидно-оксидной и хлоридной коррозии, а также повышенной структурной стабильностью на ресурс. 2 н.п. ф-лы, 2 табл., 5 пр.
Изобретение относится к металлургии, в частности к коррозионно-стойким жаропрочным сплавам для деталей горячего тракта газотурбинных двигателей и установок, длительно работающих в агрессивных средах при температурах до 750-1000°С.
Известен жаропрочный сплав на основе никеля следующего химического состава, масс. %:
| хром | 15-18 |
| кобальт | 8-11 |
| молибден | 0,75-2,2 |
| вольфрам | 1,8-3,0 |
| ниобий | 0,5-2,0 |
| тантал | 1-3 |
| алюминий | 3-4 |
| углерод | 0,1-0,2 |
| титан | 3-4 |
| бор | 0,01-0,05 |
| цирконий | 0,01-0,2 |
| никель | остальное |
(US 3459545 А, 05.08.1969).
Сплав имеет недостаточно высокие характеристики кратковременной и длительной прочности, а также низкую коррозионную стойкость.
Известен жаропрочный сплав на основе никеля следующего химического состава, масс. %:
| углерод | 0,07-0,12 |
| хром | 18,3-19,5 |
| кобальт | 3,7-4,5 |
| вольфрам | 4,6-5,2 |
| алюминий | 3,2-3,5 |
| титан | 3,9-4,2 |
| тантал | 0,9-1,2 |
| ниобий | 0,1-0,25 |
| бор | 0,008-0,012 |
| церий | 0,01-0,012 |
| иттрий | 0,01-0,012 |
| молибден | 0,15-0,30 |
| гафний | 0,05-0,20 |
| марганец | 0,01-0,012 |
| никель | остальное |
(RU 2581337 С1, 20.04.2016).
Данный сплав отличается пониженной структурной стабильностью при длительной работе, связанной с выпадением охрупчивающей σ-фазы, которая существенно понижает жаропрочность сплава, а также повышенной пористостью в отливках.
Наиболее близким аналогом является жаропрочный сплав на основе никеля для литья рабочих лопаток газотурбинных установок, содержащий, масс. %:
| хром | 9,5-14 |
| кобальт | 7-11 |
| молибден | 1,0-2,5 |
| вольфрам | 3,0-4,0 |
| тантал | 1,0-4,0 |
| ниобий | до 1,0 |
| алюминий | 3,0-4,0 |
| титан | 3,0-5,0 |
| титан и алюминий совместно | 6,5-8,0 |
| бор | 0,005-0,05 |
| цирконий | 0,01-0,25 |
| углерод | 0,02-0,25 |
| никель | остальное |
(US 3619182 А, 09.11.1971).
Сплав, взятый за прототип, имеет невысокие характеристики длительной прочности и пониженную коррозионную стойкость при рабочих температурах 750-1000°С.
Таким образом, известные сплавы при рабочих температурах 750-1000°С не обладают оптимальным сочетанием служебных свойств (жаропрочность, пластичность, сопротивление высокотемпературной коррозии, структурная стабильность в процессе эксплуатации) наряду с высокими технологическими характеристиками.
Задачей предложенного изобретения является разработка жаропрочного литейного сплава на основе никеля с улучшенными служебными свойствами и высокими технологическими характеристиками.
Техническим результатом предложенного изобретения является повышение длительной прочности при температурах 927-982°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 сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, молибден, вольфрам, тантал, ниобий, алюминий, титан, бор, цирконий, при этом он дополнительно содержит гафний, барий, лантан, иттрий и церий, при следующем соотношении компонентов, масс. %:
| углерод | 0,03-0,15 |
| хром | 11-14 |
| кобальт | 8-10 |
| молибден | 1,3-2,5 |
| вольфрам | 3,4-4,6 |
| тантал | 3,5-5,0 |
| ниобий | до 1,0 |
| алюминий | 2,8-4,2 |
| титан | 3,3-4,6 |
| бор | 0,005-0,03 |
| цирконий | 0,01-0,10 |
| гафний | до 0,60 |
| барий | до 0,10 |
| лантан | до 0,2 |
| иттрий | до 0,2 |
| церий | до 0,2 |
| никель | остальное. |
Также предложено изделие, выполненное из данного сплава.
Было установлено, что дополнительное введение в сплав редкоземельных металлов лантана, иттрия и церия в заданном количестве позволяет повысить высокотемпературную коррозионную стойкость сплава в сульфидно-оксидной и хлоридной средах. Указанные добавки за счет внутреннего окисления создают защитный барьерный слой на поверхности металла и тем самым тормозят диффузионные потоки ионов серы и кислорода с поверхности вглубь металла.
Наряду с влиянием на коррозионные свойства сплавов, указанные редкоземельные металлы 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 длительной прочности при температурах 927-982°С.
Введение в сплав редкоземельных металлов позволяет повысить структурную стабильность сплава на ресурс за счет замедления диффузионных процессов при высокотемпературной ползучести и исключения появления в процессе наработки охрупчивающих фаз.
Барий является эффективным раскислителем, и его введение в расплав перед присадкой редкоземельных металлов позволяет повысить и стабилизировать степень усвоения этих элементов.
Введение гафния обеспечивает стабилизацию структурных составляющих сплава, в частности, карбидов, способствует упрочнению границ зерен за счет подавления образования там легкоплавких соединений.
Пример осуществления.
В вакуумной индукционной печи ВИАМ2002 было выплавлено пять плавок предлагаемого сплава и одна плавка сплава, взятого за прототип. Масса каждой плавки составляла 10 кг. Все плавки были переплавлены в плавильно-заливочной установке УППФ-У и отлиты блоки с заготовками под образцы.
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 при температуре 927°С и напряжении 282 МПа на базе 50-100 часов и при температуре 982°С и напряжении ПО МПа на базе 800-1000 часов. От каждой плавки было испытано по два образца. Результаты испытаний приведены в таблице 2.
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.
На каждый вид испытаний на коррозию было изготовлено по 6 образцов. Усредненные результаты испытаний по 6-и образцам приведены в таблице 2.
Полученные результаты показывают, что долговечность предлагаемого сплава при испытаниях на длительную прочность заметно превосходят долговечность сплава - прототипа, т.е. предлагаемый сплав обладает более высоким уровнем жаропрочности.
Предлагаемый сплав обладает высокой коррозионной стойкостью при температуре испытаний 850°С: удельное изменение (убыль) массы образцов как при сульфидно-оксидной, так и при хлоридной коррозии почти в 2 раза меньше, чем у сплава-прототипа.
Металлографический анализ структуры разрушенных образцов после испытаний на длительную прочность при температуре 927°С и напряжении 282 МПа на базе 50-100 часов и при температуре 982°С и напряжении 110 МПа на базе 800-1000 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 известный сплав 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 никелевой основе, содержащий углерод, хром, кобальт, молибден, вольфрам, тантал, ниобий, алюминий, титан, бор и цирконий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит гафний, барий, лантан, иттрий и церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| углерод | 0,03-0,15 |
| хром | 11-14 |
| кобальт | 8-10 |
| молибден | 1,3-2,5 |
| вольфрам | 3,4-4,6 |
| тантал | 3,5-5,0 |
| ниобий | до 1,0 |
| алюминий | 2,8-4,2 |
| титан | 3,3-4,6 |
| бор | 0,005-0,03 |
| цирконий | 0,01-0,10 |
| гафний | до 0,60 |
| барий | до 0,10 |
| лантан | до 0,2 |
| иттрий | до 0,2 |
| церий | до 0,2 |
| никель | остальное |
2. Изделие из жаропрочного литейного сплава на основе никеля, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п. 1.
