Жаропрочный деформируемый сплав на основе никеля с низким температурным коэффициентом линейного расширения и изделие, выполненное из него
Владельцы патента RU 2721261:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU)
Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным деформируемым сплавам на основе никеля с низким коэффициентом линейного расширения. Жаропрочный деформируемый сплав на основе никеля, содержащий, мас. %: углерод 0,02-0,08, кобальт 18,0-25,0, железо 20,0-35,0, хром 0,3-1,2, вольфрам 0,05-2,0, молибден 0,05-2,0, тантал 0,1-2,0, алюминий 0,1-1,0, титан 1,5-2,7, ниобий 4,0-6,0, бор 0,003-0,020, лантан до 0,05, церий до 0,05, магний до 0,05, скандий до 0,05, кальций до 0,05, барий до 0,05, иттрий до 0,05, никель - остальное. Сплав характеризуется высокими значениями жаростойкости при температуре 600°С и технологичности. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 4 пр.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным деформируемым сплавам на основе никеля с низким температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР) и может быть использовано в качестве материала для изготовления свариваемых деталей газотурбинных двигателей (ГТД) с рабочей температурой до 650°С - корпусов камеры сгорания и турбины, элементов сопряжения компрессора и др.
Основными требованиями, предъявляемыми к этому классу материалов, являются: высокие характеристики кратковременной и длительной прочности в диапазоне от комнатной до максимальной рабочей температуры, жаростойкость и технологичность. Применение же сплавов с повышенной жаропрочностью и пониженным ТКЛР в деталях и узлах корпуса камеры сгорания ГТД позволит уменьшить компенсационные зазоры и термические напряжения в процессе их работы, тем самым повысив ресурс, КПД и надежность газотурбинного двигателя.
Известен деформируемый сплав с контролируемым тепловым расширением следующего химического состава, масс. %:
| углерод | до 0,2 |
| марганец | до 1 |
| кремний | 0,1-0,8 |
| фосфор | до 0,015 |
| сера | до 0,01 |
| хром | 2,0-10 |
| никель | 15-29 |
| молибден | до 3 |
| кобальт | 24-46 |
| титан | 0,3-2 |
| алюминий | до 1 |
| ниобий | 3-7 |
| ванадий | до 0,5 |
| цирконий | до 0,1 |
| бор | до 0,02 |
| медь | до 0,5 |
| вольфрам | до 0,5 |
(US 5283032 А, 01.02.1994).
Данный сплав имеет невысокие значения кратковременной прочности при комнатной температуре (σв≤1200 МПа) и длительной прочности на базе 500 ч при температуре 650°С (σ500650≤510 МПа).
Известен суперсплав с малым коэффициентом расширения с повышенной прочностью следующего химического состава, масс. %:
| хром | 3-6 |
| титан | 1,2-2,1 |
| кобальт | 0-25 |
| ниобий | 0,25-1,25 |
| алюминий | 0,5-1,5 |
| молибден | 0-3 |
| углерод | менее 0,001 |
| марганец | 0-2 |
| кремний | 0-1 |
| бор | 0-0,03 |
| никель | 45-55 |
| никель и кобальт | 45-60 |
(US 5425912 А, 20.06.1995).
Известен сплав на основе никеля следующего химического состава, масс. %:
| углерод | 0,005-0,05 |
| хром | 10,0-20,0 |
| вольфрам | 0,5-8,0 |
| молибден | 13,0-20,0 |
| ниобий | 0,2-1,0 |
| церий | 0,001-0,01 |
| иттрий | 0,002-0,01 |
| магний | 0,003-0,07 |
| никель | остальное |
(RU 1520871 С1, 22.12.1987).
Эти сплавы отличаются низким ТКЛР по сравнению с другими жаропрочными никелевыми сплавами, но не обладают комплексом свойств, необходимым для материала высоконагруженных ответственных деталей горячего тракта ГТД, работающих в условиях с повышенными требованиями по неизменности зазоров.
Наиболее близким аналогом является свариваемый жаропрочный деформируемый сплав на основе никеля с пониженным ТКЛР следующего химического состава, масс. %:
| углерод | 0,02-0,08 |
| кобальт | 18,0-25,0 |
| железо | 22,0-30,0 |
| хром | 0,3-1,2 |
| вольфрам | 0,05-2,0 |
| молибден | 0,05-2,0 |
| тантал | 0,1-2,0 |
| алюминий | 0,3-0,8 |
| титан | 1,5-2,7 |
| ниобий | 4,5-5,5 |
| бор | 0,005-0,010 |
| лантан | 0,001-0,03 |
| церий | 0,001-0,03 |
| магний | 0,003-0,03 |
| скандий | 0,003-0,03 |
| никель | остальное |
(RU 2404275 С1, 20.11.2010).
Данный сплав имеет невысокие значения жаростойкости при температуре 600°С (0,10 г/м2 ч) и технологичности (коэффициент выдавки (Квыд) и коэффициент отбортовки (Котб) равны 0,17 и 1,15 соответственно).
Задачей предложенного изобретения является разработка свариваемого жаропрочного деформируемого сплава на основе никеля, обладающего оптимальным сочетанием служебных свойств, обеспечивающим изготовление деталей более сложной формы.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение жаростойкости при температуре 600°С и технологичности (коэффициента выдавки (Квыд) до значений 0,35-0,4 и коэффициента отбортовки (Котб) до значений 1,45-1,6).
Для достижения поставленного технического результата предложен жаропрочный деформируемый сплав на основе никеля, содержащий, масс. %:
| углерод | 0,02-0,08 |
| кобальт | 18,0-25,0 |
| железо | 20,0-35,0 |
| хром | 0,3-1,2 |
| вольфрам | 0,05-2,0 |
| молибден | 0,05-2,0 |
| тантал | 0,1-2,0 |
| алюминий | 0,1-1,0 |
| титан | 1,5-2,7 |
| ниобий | 4,0-6,0 |
| бор | 0,003-0,020 |
| лантан | до 0,05 |
| церий | до 0,05 |
| магний | до 0,05 |
| скандий | до 0,05 |
| кальций | до 0,05 |
| барий | до 0,05 |
| иттрий | до 0,05 |
| никель | остальное. |
Предпочтительно, чтобы суммарное содержание ниобия и тантала составляло не более трехкратного содержания титана.
Также предложено изделие, выполненное из вышеуказанного жаропрочного сплава на основе никеля.
По сравнению со сплавом-прототипом в предлагаемом сплаве содержатся небольшие строго регламентируемые количества кальция, бария и иттрия.
Было установлено, что дополнительное введение в сплав кальция и бария совместно с магнием способствует более глубокому очищению расплава от вредных примесей, что положительно влияет на технологичность сплава при деформации. Особенно эффективно введение кальция и бария совместно с редкоземельными металлами - лантаном, церием, скандием и иттрием. Кальций и барий по сравнению с магнием имеют более низкую упругость пара при температурах плавки, что позволяет использовать их для раскисления расплава перед присадкой редкоземельных металлов и тем самым стабилизировать их усвоение.
Введение иттрия в сплав, содержащий лантан, церий и скандий, позволяет уменьшить значение привеса при температуре 600°С (т.е. улучшить жаростойкость) за счет концентрации его по границам зерен и фаз.
Влияние редкоземельных металлов лантана, скандия и иттрия в заявленных пределах концентраций в совокупности намного превосходит вклад каждого из указанных элементов в упрочнение границ зерен и фаз по отдельности. Как следствие, наблюдается значительное улучшение жаростойкости при высоких температурах порядка 600°С.
Соблюдение суммарного содержания ниобия и тантала не более трехкратного содержания титана позволит исключить выделения топологических плотноупакованных фаз, что дополнительно повысит пластичность и, как следствие, технологичность сплава.
При заявленном содержании и соотношениях компонентов в предлагаемом сплаве обеспечивается фазовая и структурная стабильность материала, тем самым повышается жаростойкость и технологичность.
Примеры осуществления.
В вакуумно-индукционной установке были выплавлены (с заливкой в металлические изложницы) опытные плавки из предлагаемого сплава различных составов и сплава - прототипа.
Химические составы приведены в таблице 1.
Осадку слитков проводили в изотермических условиях с получением промежуточных полуфабрикатов - сутунок. Сутунки механически обрабатывали по всем поверхностям до удаления окалины и дефектов. После механической обработки полуфабрикаты (сутунки) подвергали прокатке при температуре 1080°С до толщины 4 мм. Термическую обработку горячекатаных полуфабрикатов проводили при температуре 1080°С. Далее проводили холодную прокатку до толщины 1,5 мм.
Полученные листы разрезали на заготовки, которые подвергали термической обработке. После этого из них были изготовлены плоские образцы для определения жаростойкости и технологичности (коэффициент выдавки (Квыд), коэффициент отбортовки (Котб)).
Жаростойкость определяли после выдержки образцов в воздушной атмосфере печи в течение 100 часов при температуре 600°С в соответствии с ГОСТ 6130-71.
Технологичность определяли в соответствии с ГОСТ 17040-80.
Результаты испытаний приведены в таблице 2.
Как видно из данных таблицы 2, предлагаемый сплав превосходит сплав-прототип по технологичности (коэффициент выдавки kвыд увеличен в 2-2,35 раз, коэффициент отбортовки kотб - в 1,26-1,4 раз), а также по значениям жаростойкости при температуре 600°С в 1,9-2,06 раз (привес массы снижен до значений 0,047-0,051 г/м2ч).
Использование предлагаемого жаропрочного деформируемого сплава с низким ТКЛР в деталях и узлах корпуса камеры сгорания ГТД позволит изготавливать детали и узлы более сложной формы, уменьшить компенсационные зазоры и термические напряжения в процессе его работы, тем самым повысив ресурс, КПД и надежность газотурбинного двигателя.
1. Жаропрочный деформируемый сплав на основе никеля, содержащий углерод, кобальт, железо, хром, вольфрам, молибден, тантал, алюминий, титан, ниобий, бор, лантан, церий, магний, скандий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кальций, барий и иттрий при следующем соотношении компонентов, мас. %:
| углерод | 0,02-0,08 |
| кобальт | 18,0-25,0 |
| железо | 20,0-35,0 |
| хром | 0,3-1,2 |
| вольфрам | 0,05-2,0 |
| молибден | 0,05-2,0 |
| тантал | 0,1-2,0 |
| алюминий | 0,1-1,0 |
| титан | 1,5-2,7 |
| ниобий | 4,0-6,0 |
| бор | 0,003-0,020 |
| лантан | до 0,05 |
| церий | до 0,05 |
| магний | до 0,05 |
| скандий | до 0,05 |
| кальций | до 0,05 |
| барий | до 0,05 |
| иттрий | до 0,05 |
| никель | остальное |
2. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что суммарное содержание ниобия и тантала составляет не более трехкратного содержания титана.
3. Изделие из жаропрочного деформируемого сплава на основе никеля, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п. 1.
