Жаропрочный никелевый сплав

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии, в частности, к жаропрочным никелевым сплавам, получаемым методом металлургии гранул и используемым для производства деталей роторов газовых турбин, подвергаемых высоким статическим и динамическим нагрузкам в условиях работы до (800-850)°С. Жаропрочный никелевый сплав, содержит, мас.%: углерод - 0,03-0,12; хром - 7,0-9,0; кобальт - 17,0-22,0; вольфрам - 1,0-2,4; молибден - 2,8-4,8; титан - 2,5-4,5; алюминий - 3,2-4,6; ниобий - 0,5-2,9; тантал - 4,7-6,0; гафний - 0,3-0,5; рений - 1,0-3,0; бор - 0,005-0,015; цирконий - 0,005-0,03; церий - 0,01-0,05; лантан - 0,01-0,05; иттрий - 0,01-0,05; магний - 0,01-0,06; марганец - 0,05-0,5; кремний - 0,05-0,5; никель - остальное. Обеспечивается высокий уровень кратковременной и длительной прочности жаропрочного никелевого сплава во всем интервале эксплуатационных температур от 20°С до 850°С. 2 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии, в частности, к жаропрочным никелевым сплавам, получаемым методом металлургии гранул и используемым для производства деталей роторов газовых турбин, подвергаемых высоким статическим и динамическим нагрузкам в условиях работы до (800-850)°С.

Известен жаропрочный никелевый сплав для получения изделий методом металлургии гранул, предназначенный для работы при высоких температурах и нагрузках, например, в газотурбинных двигателях. Сплав содержит (мас. %):

углерод - 0,03-0,08;

хром - 9,0-11,0;

кобальт - 14,0-16,0;

вольфрам - 5,5-6,5;

молибден - 3,2-3,8;

титан - 3,8-4,2;

алюминий - 3,4-4,2;

ниобий - 1,5-2,2;

гафний - 0,2-0,4;

бор - 0,005-0,055;

цирконий - 0,001-0,055;

церий - 0,001-0,055;

магний - 0,01-0,06:

никель - остальное.

Сплав отличается оптимальным размером зерна (35-40) мкм, а также достаточно высокими характеристиками длительной и кратковременной прочности во всем диапазоне рабочих температур, пластичности при горячей и холодной обработке (патент РФ №2590792, опубл. 10.07.2019 г., бюлл. №19).

Однако указанный авторами патента уровень прочностных характеристик этого сплава [ ] не является достаточным для удовлетворения требований конструкторов применительно к перспективным изделиям ответственного назначения.

Одним из новых направлений развития никелевых жаропрочных сплавов для дисков газовых турбин является содержание комбинированных дисков из разных сплавов, когда обод изготавливается из варианта сплава, обладающего высокой длительной прочностью при температурах 650°С и более, а ступица - из сплава, имеющего повышенную кратковременную прочность при сравнительно небольших температурах. Таким образом различные части диска имеют максимальный уровень прочностных характеристик в температурном диапазоне их основной работы.

Ступица выполнена из сплава (мас. %):

углерод - 0,02-0,04;

хром - 11,0-12,2;

кобальт - 14,0-16,0;

вольфрам - 0,35-0,6;

молибден - 3,7-4,1;

титан - 5,0-5,4;

алюминий - 3,4-3,8;

ниобий - 0,15-0,25;

цирконий - 0,02-0,04;

гафний - 0,15-0,25;

бор - 0,015-0,025;

магний - 0,002-0,0075;

никель - остальное, имеющего размер зерна - 30 мкм.

Обод выполнен из порошкового сплава на основе никеля, содержащего (мас. %):

углерод - 0,02-0,04;

хром - 11,0-13,0;

кобальт - 17,0-19,0;

вольфрам - 1,5-2,6;

молибден - 3,2-3,8;

титан - 4,0-4,5;

алюминий - 3,0-4,5;

ниобий - 0,15-0,25;

цирконий - 0,02-0,04;

тантал - 2,3-2,6;

гафний - 0,15-0,25;

бор - 0,015-0,03;

магний - 0,002-0,0075;

никель - остальное, имеющего размер зерна до 150 мкм (патент РФ №2676121, опубл. 26.12.2018 г., бюлл. №36).

Бесспорным достижением такого сложного варианта сплава является обеспечение наиболее высоких прочностных характеристик различных частей дисков именно в тех температурных условиях, для работы в которых они предназначены. Вместе с тем наличие отличающихся прочностных свойств требует создания различной зеренной структуры, что связано с замерным усложнением технологии производства: изготовление специальных сложных печей, обеспечивающих разные температуры гомогенизации в различных частях дисков, либо использование при компактировании гранул разного размера.

Кроме того, приведенный авторами этого изобретения уровень свойств ( для ступицы и для обода диска) не являются достаточными.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по составу и назначению аналогом (прототипом) является гранулируемый высокожаропрочный никелевый сплав, предназначенный для изготовления высоконагруженных роторных деталей, работающих при температурах до (650-750)°С в газотурбинных двигателях, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, алюминий, ниобий, тантал, гафний, ванадий, бор, цирконий, церий, скандий, магний и никель, а также дополнительно может содержать до 0,8% рения при следующем соотношении компонентов, мас. %:

углерод - 0,08-0,15;

хром - 10,5-12,5;

кобальт - 14,0-16,0;

вольфрам - 4,0-6,0;

молибден - 2,6-3,6;

титан - 2,5-3,5;

алюминий - 3,6-4,6;

ниобий - 2,5-4,0;

тантал - 0,1-1,3;

гафний - 0,05-0,2;

ванадий - 0,1-0,5;

бор - 0,005-0,05;

цирконий - 0,001-0,05;

церий - 0,001-0,05;

скандий - 0,01-0,1;

магний - 0,001-0,05:

никель - остальное и неизбежные примеси.

Кроме того, в сплаве суммарное содержание кобальта и хрома должно находиться в пределах от 25 до 27 мас. %, а отношение суммарного содержание молибдена и вольфрама к суммарному содержанию титана, алюминия и ниобия может изменяться от 0,75 до 0,8 (мас. %/мас. %) (описание изобретения к патенту РФ №2623540, с22с, 19/05, опубл. 27.06.2017 г., бюлл. №18).

Сплав характеризуется высоким уровнем прочностных характеристик как при комнатной, так и рабочих температурах до (650-700)°С: его пределы прочности и текучести составили (1590-1620) и (1190-1210) МПа соответственно при δ20°С=(13,0-14,7)%, а длительность до разрушения 650°С и нагрузке 1118 МПа находится в пределах (152-265) час.

Вместе с тем для новых поколений ГТД указанный уровень прочностных характеристик является недостаточным. Требуется дальнейшее совершенствование составов и свойств дисковых никелевых жаропрочных сплавов.

В настоящее время в России и за рубежом активно ведутся работы, направленные на повышение эксплуатационных характеристик дисковых сплавов. При этом значительное внимание уделяется проблеме улучшения прочностных свойств в диапазоне от комнатной до рабочей температуры. Известно, что увеличение прочностных показателей сплавов при комнатных и невысоких температурах обеспечивает надежную работу ступицы диска и двигателя при запусках и остановах, а более высокие значения прочности при рабочих температурах позволяют существенно улучшить надежность, долговечность и тактико-технические параметры новых изделий.

В частности, в сплавах Alloy 10, LSHR, FGH95, TMW-4, а также в новом сплаве фирмы Honeywell достигнутый уровень предела прочности составляет 1650…1742 МПа.

Отечественные сплавы, созданные в последние годы, характеризуются несколько более низким уровнем предела прочности при комнатных температурах, который составляет 1560…1650 МПа (сплавы ВВ750П, ВВ751П, ВВ752П, ЭК152, ВЖ175, ЭП962НП и др.). Примерно так же соотносятся характеристики зарубежных и отечественных новых сплавов по важному показателю - пределу текучести при комнатной температуре. У отечественных сплавов составляет 1130…1215 МПа, у зарубежных значение этого показателя достигает 1125…1469 МПа.

При температурах порядка 650°С показатели отечественных сплавов соответствуют достигнутому за рубежом уровню. Новые сплавы имеют 100-часовую длительную прочность при 650°С в пределах от 1070 МПа (ВЖ175) до 1140 МПа (ВВ752, ВВ753), соответствующие показатели зарубежных сплавов имеют близкие значения: 1115 МПа (сплав LSHR) и 1156 МПа (сплав фирмы GE).

Таким образом, одной из главных целей совершенствования легирования никелевых жаропрочных сплавов для дисков газовых турбин является обеспечение высоких значений σв и σ0,2 при средних температурах, т.к. именно при этих температурах работает ступица диска, испытывающая максимальные радиальные нагрузки.

При этом новые дисковые жаропрочные никелевые сплавы по уровню длительной прочности должны превосходить современные аналоги и надежно работать в условиях воздействия высоких температур до (800-850)°С.

Следует указать, одновременное увеличение прочностных характеристик материала диска как при невысоких температурах (в условиях работы ступицы), так и при весьма высоких до 850°С (в температурной области работы обода) связано со значительным усложнением легирования. Указанное обстоятельство в свою очередь резко снижает технологичность материала. Поэтому предлагаемый сплав с целью обеспечения высокой технологичности изготовления методом металлургии гранул, что связано с развитием определенного специального подхода к легированию.

Техническим результатом, на который направлено предлагаемое изобретение, является обеспечение высокого уровня кратковременной и длительной прочности гранульного жаропрочного никелевого сплава во всем интервале эксплуатационных температур от 20°С до 850°С.

Указанный технический результат достигается тем, что известный жаропрочный никелевый сплав, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, алюминий, ниобий, тантал, гафний, рений, бор, цирконий, церий, магний, согласно настоящему изобретению, дополнительно содержит лантан, иттрий, марганец и кремний при следующем соотношении легирующих компонентов (мас. %):

углерод - 0,03-0,12;

хром - 7,0-9,0;

кобальт - 17,0-22,0;

вольфрам - 1,0-2,4;

молибден - 2,8-4,8;

титан - 2,5-4,5;

алюминий - 3,2-4,6;

ниобий - 0,5-2,9;

тантал - 4,7-6,0;

гафний - 0,3-0,5;

рений - 1,0-3,0;

бор - 0,005-0,015;

цирконий - 0,005-0,03;

церий - 0,01-0,05;

лантан - 0,01-0,05;

иттрий - 0,01-0,05;

магний - 0,01-0,06;

марганец - 0,05-0,5;

кремний - 0,05-0,5;

никель - остальное.

Химический состав сплава отличается от прототипа содержанием хрома, кобальта, ниобия, тантала и гафния, а также отсутствием в нем ванадия и скандия.

Известно, что хром повышает коррозионную стойкость никелевых жаропрочных сплавов, однако он одновременно снижает жаропрочность и способствует образованию охрупчивающих ТПУ-фаз. Поэтому его содержание снижено, а положительное влияние на коррозионную стойкость обеспечено дополнительным введение в состав лантана, иттрия, марганца и кремния.

Поскольку марганец и кремний, повышая коррозионную стойкость, не лучшим образом воздействует на пластичность, в сплаве по сравнению с прототипом увеличено содержание кобальта, положительно влияющего на пластичность и технологичность (он увеличивает окно между температурами ликвидус и полного растворения упрочняющей γ'-фазы, что облегчает условия осуществления гомогенизации при деформационной и окончательной термической обработке.

Из состава сплава также исключены повышающие жаропрочность ванадий и скандий. Они действительно улучшают высокотемпературные прочностные характеристики. Однако ванадий одновременно ухудшает коррозионную стойкость, а скандий является весьма дорогим элементом.

Поэтому они исключены из состава сплава, а их положительное влияние на жаропрочность с более высоким эффектом обеспечено путем увеличения в составе сплава тантала и гафния. Кроме того, гафний способствует образованию карбидов типа (Hf, Nb, Ti) с округлой формы вместо имеющих вид китайских иероглифов карбидов типа TiC, которые менее эффективно упрочняют сплав и делают его более чувствительным к концентраторам напряжений.

Тантал и рений более эффективно упрочняют сплав при высоких температурах по сравнению с ниобием. Поэтому в сплав введены в наиболее возможном максимальном количестве именно эти элементы, а содержание ниобия снижено с целью предотвращения распада в процессе работы сплава упрочняющей γ'-фазы и образования на ее основе менее эффективно упрочняющих фаз типа Ni3Ta и 3Nb.

Результаты сравнительной оценки заявленного сплава (сплавы 1, 2, 3) и прототипа приведены в Таблице I и II.

Здесь υγ - объемная доля упрочняющей γ'-фазы в сплаве, %;

- длительная прочность, МПа - суммарный уровень энергии d - орбит, электронов γ-матрицы сплава

мисфит - относительная разница параметров решеток;

Тп.р.γ'., Тн.р.γ' - температуры полного и начала растворения γ'-фазы соответственно, °С

; где αγ и αγ' - параметры решеток γ- и γ'-фаз.

d - удельный вес сплава.

Из Таблицы II видно, что предлагаемый сплав по своим прочностным характеристикам превосходит сплав-прототип как в области комнатных температур, так и высоких, причем преимущества нового сплава сохраняются и по удельной прочности во всем температурном диапазоне его предполагаемой эксплуатации. Это позволит заметно снизить массу диска ротора газовой турбины при одновременном увеличении температурно-силовых условий его работы.

Жаропрочный никелевый сплав, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, алюминий, ниобий, тантал, гафний, рений, бор, цирконий, церий, магний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит лантан, иттрий, марганец и кремний при следующем соотношении легирующих компонентов, мас. %:

Углерод 0,03-0,12
Хром 7,0-9,0
Кобальт 17,0-22,0
Вольфрам 1,0-2,4
Молибден 2,8-4,8
Титан 2,5-4,5
Алюминий 3,2-4,6
Ниобий 0,5-2,9
Тантал 4,7-6,0
Гафний 0,3-0,5
Рений 1,0-3,0
Бор 0,005-0,015
Цирконий 0,005-0,03
Церий 0,01-0,05
Лантан 0,01-0,05
Иттрий 0,01-0,05
Магний 0,01-0,06
Марганец 0,05-0,5
Кремний 0,05-0,5
Никель остальное



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии, а именно к деформируемым высокоэнтропийным сплавам, и может быть использовано для производства конструкций, работающих в условиях высоких температур в газотурбинных двигателях.

Изобретение относится к металлургии, в частности к жаропрочным сплавам аустенитного класса с интерметаллидным упрочнением, и может найти применение в производстве реакционных труб для агрегатов аммиака и метанола с рабочими температурами 850-950°С и давлением 2,5-5 МПа и нефтегазоперерабатывающих установок с режимами эксплуатации от 1000 до 1160°С и давлением до 0,7 МПа.

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

Изобретение относится к области металлургии титановых сплавов и может быть использовано для деталей и узлов ракетных и авиационных двигателей, работающих под высокими нагрузками при температурах до 1000°С, в частности для высокотемпературных изделий газотурбинных двигателей (ГТД).

Изобретение относится к металлургии, а именно к коррозионно-стойким жаропрочным сплавам для деталей горячего тракта газотурбинных двигателей и установок, работающих в агрессивных средах до 750-1000°С.

Группа изобретений относится к геттерному устройству для сорбции водорода и монооксида углерода. Геттерное устройство содержит композицию порошков неиспаряемого геттерного сплава, которая содержит цирконий, ванадий, титан и алюминий.

Сплав // 2663950
Изобретение относится к области металлургии и касается составов сплавов, которые могут быть использованы для изготовления деталей песчаных насосов, мельниц. Сплав включает, мас.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сварному соединению. Сварное соединение, полученное путем сварки в несколько проходов основного материала с использованием сварочного материала, характеризующееся тем, что сварочный материал имеет химический состав, в мас.%: C от 0,01 до 0,15, Si до 4,0, Mn от 0,01 до 3,5, P до 0,03, S до 0,015, Cr от 15,0 до 35,0, Ni от 40,0 до 70,0, Cu от 0,01 до 4,0, N от 0,005 до 0,1, O до 0,03, железо и примеси - остальное, а основной материал, имеющий химический состав, в мас.%: C от 0,03 до 0,075, Si от 0,6 до 2,0, Mn от 0,05 до 2,5, P до 0,04, S до 0,015, Cr больше 16,0 и менее 23,0, Ni от 20,0 до менее 30,0, Cu от 0,5 до 10,0, Mo до менее 1, Al до 0,15, N от 0,005 до 0,20, O до 0,02, железо и примеси – остальное.

Изобретение относится к области металлургии и касается составов сплавов, которые могут быть использованы для изготовления колосников, охлаждающих рам печей, дистанционных гребенок паровых котлов, зубьев и гребков колчеданных печей.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к жаропрочным сплавам на никелевой основе, и может быть использовано для изготовления дисков турбин газотурбинных двигателей и установок, предназначенных для работы в условиях активного воздействия высоких термических напряжений, температур, статических и переменных нагрузок.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам на основе никеля, и может быть использовано в газоперекачивающих, энергетических и морских газотурбинных установках (ГТУ) с длительной наработкой, в частности для литья охлаждаемых рабочих и сопловых лопаток с равноосной структурой.

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.

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 области металлургии, в частности к жаропрочным сплавам на никелевой основе, и может быть использовано для изготовления дисков турбин газотурбинных двигателей и установок, предназначенных для работы в условиях активного воздействия высоких термических напряжений, температур, статических и переменных нагрузок.

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии, в частности, к жаропрочным никелевым сплавам, получаемым методом металлургии гранул и используемым для производства деталей роторов газовых турбин, подвергаемых высоким статическим и динамическим нагрузкам в условиях работы до °С. Жаропрочный никелевый сплав, содержит, мас.: углерод - 0,03-0,12; хром - 7,0-9,0; кобальт - 17,0-22,0; вольфрам - 1,0-2,4; молибден - 2,8-4,8; титан - 2,5-4,5; алюминий - 3,2-4,6; ниобий - 0,5-2,9; тантал - 4,7-6,0; гафний - 0,3-0,5; рений - 1,0-3,0; бор - 0,005-0,015; цирконий - 0,005-0,03; церий - 0,01-0,05; лантан - 0,01-0,05; иттрий - 0,01-0,05; магний - 0,01-0,06; марганец - 0,05-0,5; кремний - 0,05-0,5; никель - остальное. Обеспечивается высокий уровень кратковременной и длительной прочности жаропрочного никелевого сплава во всем интервале эксплуатационных температур от 20°С до 850°С. 2 табл.

Наверх