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

Изобретение относится к металлургии, в частности к коррозионностойким жаропрочным сплавам на основе никеля, и может быть использовано для деталей горячего тракта газотурбинных двигателей и установок. Жаропрочный литейный сплав на основе никеля содержит, мас. %: углерод 0,005-0,18, хром 13-15, кобальт 7-10, титан 4-6, алюминий 2-4, вольфрам 2-5, молибден 0,5-2,5, бор до 0,03, цирконий до 0,20, тантал от 1,5 до менее 3,5, ниобий до 0,5, гафний до 0,5, барий до 0,10, лантан до 0,20, иттрий до 0,20, церий до 0,20, никель - остальное. Сплав характеризуется высокими значениями предела прочности, предела текучести, длительной прочности, относительного удлинения, относительного сужения при рабочих температурах, а также стойкости к высокотемпературной сульфидно-оксидной и хлоридной коррозии. 2 н.п. ф-лы, 2 табл., 5 пр.

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к коррозионностойким жаропрочным сплавам для деталей горячего тракта газотурбинных двигателей и установок, длительно работающих в агрессивных средах при температурах 600-1000°С.

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

углерод 0,05-0,09
хром 15,4-15,8
кобальт 10,0-10,4
вольфрам 5,0-5,3
молибден 1,6-1,8
титан 4,3-4,5
алюминий 3,0-3,2
бор 0,06-0,09
цирконий <0,015
гафний 0,2-0,3
кремний <0,10
железо <0,10
медь <0,05
сера <0,005
азот <20 ppm
кислород <15 ppm
церий <0,015
ниобий 0,1-0,2

иттрий <0,30

марганец <0,10
фосфор <0,005
никель остальное (RU 2539643 С1, 20.01.2015).

Сплав имеет достаточно высокие прочностные и пластические характеристики, но отличается пониженной структурной стабильностью при длительной работе свыше 500 часов, связанной с выпадением в условиях высокотемпературного воздействия охрупчивающих топологически плотноупакованных (ТПУ) фаз (σ, μ и другие), которые существенно понижают жаропрочные свойства и ограничивают ресурс работы двигателя.

Отрицательное влияние ТПУ фаз на долговременные высокотемпературные свойства жаропрочного сплава проявляется в том, что эти хрупкие фазы игольчатой морфологии являются концентраторами напряжений, на которых зарождаются микротрещины, ведущие к преждевременному разрушению деталей из данного сплава.

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 0,01-0,20
никель остальное (US 3459545 А, 05.08.1969).

Сплав имеет недостаточно высокие характеристики кратковременной и длительной прочности при рабочих температурах, а также низкую коррозионную стойкость при эксплуатации в агрессивных средах, содержащих примеси серы и хлора.

Наиболее близким аналогом является литейный жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий, масс. %:

хром 13,7-14,3
кобальт 9,0-10,0
титан 4,8-5,2
алюминий 2,8-3,2
вольфрам 2,8-4,3
молибден 1,0-1,5
бор 0,005-0,02
цирконий 0-0,03
углерод 0,08-0,13
тантал 2,0-3,0
или
ниобий 1,0-1,5
или
гафний 2,0-2,5
или
по крайне мере два
элемента из группы
тантал, ниобий и гафний 1,5-3,5
никель остальное (US 6416596 В1, 09.07.2002).

Сплав, взятый за прототип, имеет невысокие значения длительной прочности при температурах 900-1000°С и механических свойств (предел прочности σB, предел текучести σ0,2, относительное удлинение δ, относительное сужение ψ) при температурах 600-700°С, а также пониженную стойкость к сульфидно-оксидной и хлоридной коррозии при температурах 750-1000°С.

Таким образом, известные сплавы при рабочих температурах 600-1000°С не обладают оптимальным сочетанием служебных свойств (длительная прочность, механические свойства (предел прочности σB, предел текучести σ0,2, относительное удлинение δ, относительное сужение ψ), сопротивление высокотемпературной коррозии, структурная стабильность в процессе эксплуатации).

Задачей предложенного изобретения является разработка структурно-стабильного литейного жаропрочного сплава на основе никеля с более высокими механическими свойствами и повышенным сопротивлением высокотемпературной коррозии.

Техническим результатом предложенного изобретения является повышение механических свойств при температуре 650°С (предел прочности σB, предел текучести σ0,2, относительное удлинение δ, относительное сужение ψ) и длительной прочности при температуре 980°С, а также повышение коррозионной стойкости и фазово-структурной стабильности сплава на ресурс.

Для достижения технического результата предложен литейный жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, титан, алюминий, вольфрам, молибден, бор, цирконий, тантал, ниобий, гафний, при этом он дополнительно содержит барий, лантан, иттрий и церий, при следующем соотношении компонентов, масс. %:

углерод 0,005-0,18
хром 13-15
кобальт 7-10
титан 4-6
алюминий 2-4
вольфрам 2-5
молибден 0,5-2,5
бор до 0,03
цирконий до 0,20
тантал от 1,5 до менее 3,5
ниобий до 0,5
гафний до 0,5
барий до 0,10
лантан до 0,20
иттрий до 0,20
церий до 0,20
никель остальное.

Также предложено изделие, выполненное из данного сплава.

Было установлено, что комплексное введение в сплав лантана, иттрия и церия в заданном количестве позволило снизить скорость высокотемпературной сульфидно-оксидной и хлоридной коррозии стойкость за счет создания защитного барьерного слоя на поверхности металла и ослабления диффузионных потоков ионов серы и кислорода, а также уменьшения микропористости оксидной пленки.

Помимо положительного влияния редкоземельных металлов лантана, иттрия и церия на коррозионные свойства сплава, установлено также, что при их комплексном введении в структуре образуются ультра мелкодисперсные наноразмерные частицы γʹ-фазы, которые выделяются в γ-твердом растворе между более крупными частицами γʹ-фазы, блокируют и задерживают перемещение дислокаций в процессе ползучести металла при повышенной температуре и напряжении, тем самым обеспечивают повышение длительной прочности при повышенных температурах (~980°С).

Дополнительными исследованиями радиоизотопными методами было установлено, что атомы редкоземельных металлов лантана, иттрия и церия адсорбируются на межфазных поверхностях раздела между частицами γʹ-фазы и γ-твердого раствора и упрочняют межфазные границы. Влияние на упрочнение поверхности раздела указанных элементов в заявляемых пределах в совокупности намного превосходит вклад каждого элемента по отдельности, и, как следствие, наблюдается значительное повышение характеристики длительной прочности и механических свойств (предел прочности σB, предел текучести σ0,2, относительное удлинение δ, относительное сужение ψ).

Было установлено, что барий является эффективным десульфуратором никелевого расплава: после введения бария в расплав содержание одной из наиболее вредных примеси серы понизилось в сплаве в 2-3 раза. Особенно эффективно введение бария совместно с редкоземельными металлами. Барий, в отличие от других щелочноземельных металлов - магния и кальция, имеет более низкую упругость пара при температурах плавки, что позволяет его использовать для раскисления расплава перед присадкой редкоземельных металлов, и тем самым стабилизировать их усвоение.

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 установке направленной кристаллизации УВНК-9А и отлиты керамические блоки с заготовками под образцы с направленной структурой.

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

Химические составы образцов сплавов приведены в таблице 1.

Испытания на длительную прочность проводили при температуре 980°С и напряжениях 120 и 185 МПа, а на кратковременный разрыв - при температуре 650°С. От каждой плавки было испытано по два образца. Результаты испытаний приведены в таблице 2.

Испытания коррозионной стойкости сплава 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 составляла 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 при температуре 980°С и механические свойства (предел прочности σB, предел текучести σ0,2, относительное удлинение δ, относительное сужение ψ) при испытаниях на кратковременную прочность при температуре 650°С заметно превосходят сплава - прототипа.

Предлагаемый сплав обладает высокой коррозионной стойкостью при температуре испытаний 850°С. Как видно из таблицы 2, удельное изменение (убыль) массы образцов как при сульфидно-оксидной, так и при хлоридной коррозии в 1,5-2 раза меньше, чем у сплава-прототипа.

После проведения испытаний на длительную прочность при температуре 980°С и напряжении 120 МПа на базе 800-1000 часов была исследована микроструктура разрушенных образцов. Металлографический анализ подтвердил отсутствие охрупчивающих ТПУ-фаз (σ, μ и др), что свидетельствует о высокой фазовой и структурной стабильности предлагаемого сплава.

Таким образом, предлагаемый сплав существенно превосходит известный по длительной прочности и механическим свойствам (предел прочности σB, предел текучести σ0,2, относительное удлинение δ, относительное сужение ψ), а также высокотемпературной коррозионной стойкости. Сплав обладает структурно-фазовой стабильностью при эксплуатации, 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, титан, алюминий, вольфрам, молибден, бор, цирконий, тантал, ниобий и гафний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит барий, лантан, иттрий и церий при следующем соотношении компонентов, мас. %:

углерод 0,005-0,18
хром 13-15
кобальт 7-10
титан 4-6
алюминий 2-4
вольфрам 2-5
молибден 0,5-2,5
бор до 0,03
цирконий до 0,20
тантал от 1,5 до менее 3,5
ниобий до 0,5
гафний до 0,5
барий до 0,10
лантан до 0,20
иттрий до 0,20
церий до 0,20
никель остальное.

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



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению никеле-титановых сплавов в вакуумных индукционных плавильных печах с холодным тиглем. В способе осуществляют укладку подготовленной шихты, при этом в нижнюю часть тигля укладывают титан около 20% высоты, затем равномерно чередуясь никелевые пластины и титановые таблетки, после заполнения 50% объема шихты между никелевыми пластинами и титановыми таблетками рассыпают порошок легирующих элементов, осуществляют вакуумирование плавильной камеры, плавку проводят в несколько этапов, включающих дегазацию с медленным разогревом шихты и изложницы на малых мощностях 20% от максимальной, затем разогрев шихты с двухступенчатым увеличением мощности сначала до 30-35% и через 3 минуты до 60%, и после экзотермической реакции между титаном и никелем проводят барботаж расплава в течение 3-5 мин путем плавного увеличения мощности до максимальной, сливают расплав при максимальной мощности в изложницу, подогретую до 550-600°С, выдерживают отливку под вакуумом при температуре до 600°С или ниже около 2,5 часов и извлекают заготовку из печи.

Изобретение относится к металлургии, а именно к высокотемпературным композиционным материалам на основе интерметаллидной матрицы для обеспечения двигателей повышенной мощности и ресурса.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным интерметаллидным сплавам на основе никеля, предназначенным для изготовления методами точного литья деталей газотурбинных двигателей.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным сплавам на никелевой основе, и может быть использовано для изготовления деталей, применяемых в газотурбинном двигателестроении, например заготовок дисков и других деталей специального назначения.

Изобретение относится к области порошковой металлургии. Способ получения узкофракционных сферических порошков из жаропрочных сплавов на основе алюминида никеля включает стадию предварительного выделения заданной фракции путем классификации исходного порошкообразного материала зернистостью 5-150 мкм, стадию получения целевого продукта, заключающуюся в проведении термовакуумной обработки в течение 3-4 ч при остаточном давлении 10-5-10-6 мм рт.ст., температуре 800-900°С и скорости нагрева до данной температуры 15-20°С/мин и последующей плазменной сфероидизации, при этом оставшийся после предварительного выделения заданной фракции более мелкий и более крупный порошок подвергают перемешиванию, прессованию, вакуумному спеканию до относительной плотности 70-80%, размолу, после чего полученный порошок возвращают на стадию предварительного выделения заданной фракции и далее выделенную заданную фракцию направляют на стадию получения целевого продукта.

Изобретение может быть использовано в металлургии. Подготовка оснастки для выплавки литых прутковых заготовок из жаропрочных сплавов на никелевой основе включает отбор труб с дефектами на внутренней поверхности, их термическую обработку в колпаковой печи с использованием опорного вертикального устройства с газопроницаемой прокладкой и механическую чистку внутренней поверхности труб.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сварочному материалу на основе никеля, и может быть использовано при сварке жаропрочных сплавов на основе никеля и кобальта.

Изобретение относится к металлургии, в частности, к литейным жаропрочным коррозионно-стойким сплавам на основе никеля и может быть использовано для изготовления литьем с равноосной структурой крупногабаритных толстостенных рабочих и сопловых лопаток газотурбинных установок (ГТУ), работающих при температурах 600-900°С.

Изобретение относится к металлургии, в частности к литейным жаропрочным коррозионностойким сплавам на основе никеля, и может быть использовано для изготовления литьем деталей горячего тракта газотурбинных установок, например рабочих лопаток газовой турбины с равноосной или монокристаллической структурой, работающих в агрессивных средах при рабочих температурах 750-900°С.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к изготовлению высоконагруженных составных дисков с функционально градиентными свойствами для газотурбинных установок (ГТУ) и газотурбинных двигателей (ГТД), работающих в условиях градиента температуры и имеющих механические свойства, меняющиеся по сечению.

Изобретение относится к металлургии, а именно к высокотемпературным композиционным материалам на основе интерметаллидной матрицы для обеспечения двигателей повышенной мощности и ресурса.

Изобретение относится к металлургии, а именно к высокотемпературным композиционным материалам на основе интерметаллидной матрицы для обеспечения двигателей повышенной мощности и ресурса.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным интерметаллидным сплавам на основе никеля, предназначенным для изготовления методами точного литья деталей газотурбинных двигателей.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным интерметаллидным сплавам на основе никеля, предназначенным для изготовления методами точного литья деталей газотурбинных двигателей.

Изобретение относится к металлургии, в частности к коррозионно-стойким жаропрочным сплавам на основе никеля для деталей горячего тракта газотурбинных двигателей и установок, длительно работающих в агрессивных средах при температурах 800-1000°С.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным сплавам на никелевой основе, и может быть использовано для изготовления деталей, применяемых в газотурбинном двигателестроении, например заготовок дисков и других деталей специального назначения.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным сплавам на никелевой основе, и может быть использовано для изготовления деталей, применяемых в газотурбинном двигателестроении, например заготовок дисков и других деталей специального назначения.

Изобретение относится к получению тройного сплава Ni-Cr-C. Способ включает нагрев исходной смеси порошков микронных размеров, состоящей из 25-45 мас.% хрома, 3-5 мас.% графита и остальное никеля, и ее последующее охлаждение.

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.

Изобретение относится к области порошковой металлургии. Способ получения узкофракционных сферических порошков из жаропрочных сплавов на основе алюминида никеля включает стадию предварительного выделения заданной фракции путем классификации исходного порошкообразного материала зернистостью 5-150 мкм, стадию получения целевого продукта, заключающуюся в проведении термовакуумной обработки в течение 3-4 ч при остаточном давлении 10-5-10-6 мм рт.ст., температуре 800-900°С и скорости нагрева до данной температуры 15-20°С/мин и последующей плазменной сфероидизации, при этом оставшийся после предварительного выделения заданной фракции более мелкий и более крупный порошок подвергают перемешиванию, прессованию, вакуумному спеканию до относительной плотности 70-80%, размолу, после чего полученный порошок возвращают на стадию предварительного выделения заданной фракции и далее выделенную заданную фракцию направляют на стадию получения целевого продукта.

Изобретение относится к металлургии, в частности к коррозионностойким жаропрочным сплавам на основе никеля, и может быть использовано для деталей горячего тракта газотурбинных двигателей и установок. Жаропрочный литейный сплав на основе никеля содержит, мас. : углерод 0,005-0,18, хром 13-15, кобальт 7-10, титан 4-6, алюминий 2-4, вольфрам 2-5, молибден 0,5-2,5, бор до 0,03, цирконий до 0,20, тантал от 1,5 до менее 3,5, ниобий до 0,5, гафний до 0,5, барий до 0,10, лантан до 0,20, иттрий до 0,20, церий до 0,20, никель - остальное. Сплав характеризуется высокими значениями предела прочности, предела текучести, длительной прочности, относительного удлинения, относительного сужения при рабочих температурах, а также стойкости к высокотемпературной сульфидно-оксидной и хлоридной коррозии. 2 н.п. ф-лы, 2 табл., 5 пр.

Наверх