Жаропрочный никелевый сплав для литья деталей с монокристаллической структурой

Авторы патента:

Марчуков Евгений Ювенальевич (RU)

Зубарев Геннадий Иванович (RU)

Логунов Александр Вячеславович (RU)

Кузьмин Максим Владимирович (RU)

Лещенко Игорь Алексеевич (RU)

Данилов Денис Викторович (RU)

C22C19/057 - Сплавы на основе никеля или кобальта

C22C19/05 - с хромом

Владельцы патента RU 2768947:

Публичное акционерное общество "ОДК-Уфимское моторостроительное производственное объединение (ПАО "ОДК-УМПО") (RU)

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству литейных жаропрочных никелевых сплавов с монокристаллической структурой, используемых при изготовлении деталей ответственного назначения газотурбинных двигателей и установок, в первую очередь, рабочих и сопловых лопаток газовых турбин, работающих при температуре 1000°С и выше. Жаропрочный никелевый сплав для литья деталей с монокристаллической структурой содержит, мас.%: углерод 0,005-0,02, хром 3,0-4,0, кобальт 5,0-6,5, вольфрам 2,0-3,5, молибден 2,5-3,5, алюминий 5,5-6,5, титан 0,4-1,5, тантал 7,0-9,0, рений 5,5-7,0, цирконий 0,01-0,05, иттрий 0,001-0,1, лантан 0,001-0,1, церий 0,001-0,1, кремний 0,01-0,2, марганец 0,01-0,2, бор 0,005-0,03, никель - остальное, при соблюдении следующих условий: 41,6≥3,0С_Мо+1,6С_W+2,3С_Та+1,6C_Re, где С_Мо, C_W, С_Та, C_Re - концентрации элементов в сплаве, в мас.% и С_Al/(C_Ti+C_Ta+0,58C_W+0,48C_Mo)≥1,0 (ат.%/ат.%), где С_Al, С_Ti, С_Та, C_W, С_Мо - концентрации соответствующих элементов в γ'-фазе, в ат.%. Обеспечиваются высокие значения жаропрочности без присутствия в составе сплава элемента платиновой группы. Сплав имеет оптимальную структуру без присутствия охрупчивающих ТПУ-фаз и α-фаз на основе вольфрама, молибдена, рения и хрома. Его характеризует высокая структурная стабильность, что позволяет использовать этот сплав при температурах 1100°С и выше. 2 табл.

Литейный жаропрочный сплав на основе никеля содержит (мас. %): углерод 0,005-0,02; хром 3,0-4,0; кобальт 5,0-6,5; вольфрам 2,0-3,5; молибден 2,5-3,5; алюминий 5,5-6,5; титан 0,4-1,5; тантал 7,0-9,0; рений 5,5-7,0; цирконий 0,01-0,05; иттрий 0,001-0,1; лантан 0,001-0,1; церий 0,001-0,1; кремний 0,01-0,2; марганец 0,01-0,2; бор 0,005-0,03; никель - остальное.

Представленный сплав по уровню жаропрочности соответствует (Re+Ru) монокристальным сплавам IV поколения, при этом в его составе отсутствует остродефицитный и крайне дорогой элемент платиновой группы Ru.

В настоящее время активно развивается новый класс газотурбинных двигателей, которые должны надежно работать при гораздо более высоких температурах газа перед турбиной, достигающих в эксплуатации (1900-2000) К. Успехи в данном направлении прямым образом связаны с созданием перспективных жаропрочных сплавов, достигающих уровня длительной жаропрочности (100 часов при температуре 1000°С) порядка 300 МПа и более.

В настоящее время такому уровню соответствуют чрезвычайно дорогие сплавы, содержащие (Re+Ru). Стоимость одного килограмма такого сплава стала соизмеримой со стоимостью 1 кг самолета. Это обстоятельство существенно ограничило их использование в современной технике и весьма остро поставило вопрос о разработке сплавов с таким же (или более высоким) уровнем прочностных характеристик, но при этом совершенно не содержащих рутений и, по возможности, более экономно легированных рением.

Работы в указанном направлении весьма активно развиваются за рубежом. В результате появились новые сплавы фирмы Cannon Muskegon CMSX-10M (предназначенный для использования в истребителе 5-го поколения F-35), а также CMSX-4 мод., который обладает высоким уровнем жаропрочности - его

В России указанный уровень длительной прочности обеспечен сплавами ВЖМ-4 и ВЖМ-6, однако в их составе наряду с Re присутствует Ru. В РФ существует также сплав ВЖМ-1, который содержит достаточно большое количество Re (≈ 9,3 мас. %) и имеет сравнительно высокий удельный вес ≈ 9,1 г/см³, и сплав СЛЖС-3, удельный вес которого г/см³.

Таким образом проблема создания в России безрутеневого сплава с длительно жаропрочностью на уровне 300 МПа при удельном весе порядка 8,9 г/см³ является весьма актуальной.

Известен литейный жаропрочный никелевый сплав, имеющий следующий состав (мас. %):

алюминий - 5,0-6,0

тантал 6,0-9,5

титан 0-1,5

кобальт 8-10

хром 6-7

молибден 0,3-0,9

вольфрам 5,5-6,5

рений 0-2,5

гафний 0,05-0,15

платина 0,7-4,3

кремний 0-0,15

никель - остальное

Сплав разработан фирмой SAFRAN (Франция), патент №2019/234345, опубл. 04.06.2019 г.

Он обладает характерными для монокристальных сплавов II поколения удельным весом (8,82 г/см³) и длительной прочностью (его =254 МПа).

Особенностью сплава является наличие в его составе значительного количества платины, что, с одной стороны, повышает его высокотемпературную стойкость против окисления, а с другой стороны - резко увеличивает стоимость. При этом уровень его высокотемпературных эксплуатационных характеристик в недостаточной степени отвечает современным требованиям.

Известен также литейный жаропрочный никелевый сплав для монокристального литья рабочих и сопловых лопаток газовых турбин (патент РФ №2220220, опубл. 27.12.2003 г.).

Сплав имеет следующий состав (мас. %):

хром - 2,0-3,0

кобальт - 9,5-13,0

алюминий - 5,3-5,9

вольфрам - 0,1-0,9

молибден - 1,0-2,0

тантал - 7,0-10,0

рений - 11,1-13,0

церий - 0,002-0,02

лантан - 0,021-0,2

иттрий - 0,002-0,02

углерод - 0,002-0,02

бор - 0,0004-0,004

никель - остальное.

Особенностью сплава является высокий уровень жаропрочности - его =330 МПа, что характерно для монокристальных сплавов IV поколения. Однако он является крайне дорогим, поскольку содержит наибольшее из всех известных сплавов количество дорогостоящего рения. Кроме того, он имеет высокий удельный вес , а это вызывает необходимость увеличения веса диска и газовой турбины в целом.

Известен также разработанный под аналогичные требования сплав CMSX-10M (США, US Pat. №5540790, Publ. 06.01.94). Сплав содержит (мас. %):

углерод - 0-0,04

хром - 1,8-2,5

кобальт - 1,5-2,5

вольфрам - 3,5-6,0

молибден - 0,25-0,6

титан - 0,1-0,5

алюминий - 5,5-6,1

ниобий - 0,01-0,1

тантал - 8,0-9,0

гафний - 0-0,05

бор - 0-0,01

цирконий - 0-0,01

церий - 0-0,01

лантан - 0-0,01

иттрий - 0,-0,01

рений - 6,2-6,8

кремний - 0-0,05

сера - 0-0,001

ванадий - 0-0,1

магний - 0-0,04

никель - остальное

Этот сплав имеет хороший уровень жаропрочных характеристик - его =291 МПа, он обладает высокой стойкостью против образования охрупчивающих ТПУ-фаз. Однако его удельный вес также достаточно высок и равен 9,05 г/см³.

Известным является сплав на основе никеля CMSX-4 PLUS, разработанной фирмой Cannon Muskegon (US Pat. №9518311, опубл. 13.12.2016 г).

Сплав содержит (мас. %):

алюминий 5,6-5,8

кобальт 9,4-9,8

хром 3,2-3,9

тантал 7,8-8,5

вольфрам 5,3-5,7

молибден 0,5-0,7

рений 4,3-4,9

титан 0,75-0,9

гафний 0,08-0,15

никель - остальное

Сплав отличается высоким уровнем жаропрочности - его =293,7 МПа, при удельном весе 8,93 г/см³, т.е. представленный сплав является одним из наиболее перспективных материалов имеющих характеристики монокристальных никелевых сплавов IV поколения, но при этом не имеющих в своем составе рутений. Однако и в этом случае желательно иметь сплав, отличающийся более высоким уровнем жаропрочности при схожем удельном весе.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является сплав для монокристального литья (патент РФ №2293782, опубл. 18.05.2007 г.), имеющий следующий химический состав (мас. %):

углерод 0,002-0,02

хром 2,1-3,3

кобальт 5,0-7,0

молибден 3,5-5,0

вольфрам 3,2-4,8

тантал 4,0-5,0

рений 5,6-7,0

рутений 2,0-6,0

алюминий 5,7-6,3

бор 0,0004-0,004

иттрий 0,002-0,02

церий 0,001-0,02

лантан 0,002-0,25

неодим 0,0005-0,01

никель остальное

Сплав имеет высокий уровень жаропрочности, его равна 305 МПа, при этом его удельный вес составляет величину 8,9 г/см³. Главным недостатком его является высокое содержание крайне дорогих элементов Re и Ru. В результате существенно возросла его стоимость, что в конечном итоге серьезно ограничило возможности его применения.

Задачей изобретения (техническим результатом) является создание сплава, имеющего примерно такие же параметры жаропрочности и удельного веса, но при этом в его составе должен отсутствовать элемент платиновой группы рутений, а содержание Re должно быть значительно меньше суммарной концентрации (Re+Ru) в указанном сплаве.

Указанный технический результат достигается тем, что предложен жаропрочный никелевый сплав для литья деталей с монокристаллической структурой, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, тантал, рений, иттрий, лантан, церий, бор, отличающийся тем, что он дополнительно содержит титан, цирконий, кремний и марганец при следующем соотношении легирующих элементов (мас. %): углерод 0,005-0,02 хром 3,0-4,0 кобальт 5,0-6,5 вольфрам 2,0-3,5 молибден 2,5-3,5 алюминий 5,5-6,5 титан 0,4-1,5 тантал 7,0-9,0 рений 5,5-7,0 цирконий 0,01-0,05 иттрий 0,001-0,1 лантан 0,001-0,1 церий 0,001-0,1 кремний 0,01-0,2 марганец 0,01-0,2 бор 0,005-0,03 никель - остальное.

В составе заявленного сплава отсутствует рутений, положительно влияющий на жаропрочность. Поэтому с целью повышения высокотемпературных прочностных характеристик в сплаве заметно увеличено содержание тантала, значительно повышающего уровень жаропрочности. Относительное снижение удельного веса достигается более высоким по сравнению с аналогом суммарного содержания легких элементов (Al+Ti), которые одновременно также улучшают жаропрочность, увеличивая температуры начала и полного растворения упрочняющей γ'-фазы и тем самым повышая термостабильность сплава.

Дополнительное введение в сплав циркония обусловлено тем, что он повышает температуру полного растворения γ'-фазы и увеличивает ее объемное содержание. Кроме того, присутствуя в малых количествах, он способствует росту пластичности и снижает скорость развития трещины. Он также ослабляет вредное влияние на жаропрочность атомов кислорода, связывая их в тугоплавкие мельчайшие частицы, являющиеся дополнительными дисперсными упрочнителями.

С целью предотвращения распада γ-твердого раствора и выделения из нее охрупчивающих ТПУ-фаз введено условие, ограничивающее суммарное количество (Mo+W+Ta+Re), оказывающих наибольшее влияние на процессе образования этих соединений.

Условие основано на широко известной и активно применяемой в мировой практике зависимости, которая используется в методе New Phacomp, а именно:

где С_i - атомные концентрации соответствующих элементов в γ-фазе.

Наши исследования показали, что для сплава этой группы, имеющих весьма сложный состав, должно быть равно 0,9.

Производя оценку по средним значениям концентрации в сплаве остальных элементов, получим следующее условие предотвращения процесса выделения ТПУ-образований:

где C_i - концентрации элементов (мас. %) в сплаве.

Для предотвращения процесса распада упрочняющей γ'-фазы используется следующее соотношение:

здесь C_i - концентрация (ат %) соответствующих элементов в γ'-фазе.

В Таблице 1 и 2 приведены сравнительные результаты свойств заявленного сплава и сплава, представленного в патенте РФ №2293782, который содержит дорогостоящих элементов (Re+Ru).

Как видно из Таблиц 1 и 2, предлагаемый сплав по уровню жаропрочности отвечает лучшим мировым аналогам (сплавам CMSX-4 мод и CMSX-10M), причем он легче указанных сплавов.

Заявляемый сплав по своим эксплуатационным характеристикам соответствует сплаву - прототипу, при этом удельная стоимость его шихты почти на 18% ниже. Особенно стоит отметить, что в нем отсутствует содержание крайне дефицитного элемента платиновой группы рутения.

Предлагаемый сплав имеет оптимальную структуру, он отличается отсутствием охрупчивающих ТПУ-фаз и α-фаз на основе вольфрама, молибдена, рения и хрома. Его характеризует высокая структурная стабильность, чем позволяет использовать этот сплав при температурах 1100°С и выше.

Жаропрочный никелевый сплав для литья деталей с монокристаллической структурой, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, тантал, рений, иттрий, лантан, церий, бор, отличающийся тем, что он дополнительно содержит титан, цирконий, кремний и марганец при следующем соотношении легирующих элементов, мас.%:

углерод	0,005-0,02
хром	3,0-4,0
кобальт	5,0-6,5
вольфрам	2,0-3,5
молибден	2,5-3,5
алюминий	5,5-6,5
титан	0,4-1,5
тантал	7,0-9,0
рений	5,5-7,0
цирконий	0,01-0,05
иттрий	0,001-0,1
лантан	0,001-0,1
церий	0,001-0,1
кремний	0,01-0,2
марганец	0,01-0,2
бор	0,005-0,03
никель	остальное,

при соблюдении следующих условий:

41,6≥3,0С_Мо+1,6С_W+2,3С_Та+1,6C_Re,

где С_Мо, C_W, С_Та, C_Re- концентрации элементов в сплаве, в мас.% и

где С_Al, С_Ti, С_Та, C_W, С_Мо - концентрации соответствующих элементов в γ'-фазе, ат.%.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным жаропрочным никелевым сплавам, предназначенным для литья деталей газовых турбин с монокристальной структурой с рабочей температурой до 1100°С и выше. Литейный жаропрочный никелевый сплав с монокристальной структурой содержит, мас.%: углерод 0,002-0,1, хром 3,0-6,0, кобальт 4,0-7,5, вольфрам 2,0-4,0, молибден 2,5-4,0, алюминий 5,5-7,0, тантал 7,0-10,0, ванадий 0,1-0,5, рений 3,5-5,0, цирконий 0,01-0,05, иттрий 0,001-0,1, лантан 0,001-0,1, церий 0,001-0,1, кремний 0,01-0,2, марганец 0,01-0,2, бор 0,005-0,03, магний 0,01-0,03, празеодим 0,01-0,1, никель – остальное, при соблюдении следующих условий: 44,8≥3,0СМо+1,6CW+2,3СТа+1,3CRe, где СМо, CW, СТа, CRe - концентрации соответствующих элементов в сплаве, мас.% и СAl/(СTa+CW+СMo)≥1,0 (ат.%/ат.%), где СAl, СTa, CW, СMo – концентрации соответствующих элементов в γ'-фазе, ат.%.

Литейный жаропрочный сплав на никелевой основе и изделие, выполненное из него // 2766197

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным жаропрочным сплавам на основе никеля, и может быть использовано для изготовления отливок, например, рабочих и сопловых лопаток газотурбинных двигателей с равноосной структурой, работающих в условиях высоких температур и напряжений. Литейный жаропрочный сплав на никелевой основе содержит, мас.%: углерод до 0,15, хром 12,0-16,0, кобальт 12,0-16,0, молибден 3,0-5,0, алюминий 4,0-5,0, титан 3,0-4,0, бор до 0,05, цирконий до 0,05, кремний до 0,20, марганец до 0,15, по меньшей мере один элемент из группы: магний, кальций и барий до 0,10, по меньшей мере один элемент из группы: церий, празеодим и неодим до 0,10, никель - остальное.

Жаропрочный сплав // 2765806

Изобретение относится к металлургии, в частности к жаропрочным хромоникелевым сплавам аустенитного класса с интерметаллидным упрочнением, и может найти применение в производстве реакционных труб для агрегатов аммиака и метанола с рабочими температурами 800-950°С и давлением 2,5-5 МПа и нефтегазоперерабатывающих установок с режимами эксплуатации от 950 до 1160°С и давлением до 0,7 МПа.

Никелевый гранульный жаропрочный сплав для дисков газовых турбин // 2765297

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным никелевым сплавам для дисков газовых турбин, получаемым методом металлургии гранул и предназначенным для работы в условиях активного воздействия высоких температур и напряжений. Гранульный жаропрочный никелевый сплав содержит, мас.%: углерод - 0,06-0,15, хром - 4,0-8,0, кобальт - 14,0-20,0, вольфрам - 1,5-4,0, молибден - 2,0-5,0, титан - 2,0-5,0, алюминий - 3,0-5,0, ниобий - 1,5-3,5, тантал - 4,0-7,0, рений - 0,5-2,5, гафний - 0,05-0,3, железо - 0-0,01, бор - 0,01-0,03, ванадий - 0,1-0,5, цирконий - 0,01-0,03, церий - 0,01-0,05, лантан - 0,01-0,05, иттрий - 0,01-0,05, скандий - 0,01-0,05, магний - 0,01-0,06, никель - остальное.

Стойкий к окислению жаропрочный сплав и способ его получения // 2760223

Изобретение относится к металлургии, а именно стойкому к окислению жаропрочному сплаву и способу его получения. Стойкий к окислению жаропрочный сплав содержит, мас.

Сплав с высокой стойкостью к окислению и применения для газовых турбин с использованием этого сплава // 2751039

Изобретение относится к металлургии, а именно к сплаву с высокой стойкостью к окислению, и может быть использовано при изготовлении компонентов газовой турбины. Сплав с высокой стойкостью к окислению содержит, мас.%: Со 9,00-9,50, W 9,30-9,70, Cr 8,00-8,70, Al от более 8,00 до 15,50, Ti 0,60-0,90, Та 2,80-3,30, Мо 0,40-0,60, Hf вплоть до 1,20, Ni - остальное.

Суперсплав на основе никеля, монокристаллическая лопатка и газотурбинный двигатель // 2749981

Изобретение относится к металлургии, а именно к суперсплавам на основе никеля, и может быть использовано в авиационной промышленности, в частности, для изготовления монокристаллических лопаток газотурбинного двигателя. Суперсплав на основе никеля содержит, в мас.%: 4,0-6,0 хрома, 0,4-0,8 молибдена, 2,5-3,5 рения, 6,2-6,6 вольфрама, 5,2-5,7 алюминия, 0,0-1,6 титана, 6,0-9,9 тантала, 0,3-0,7 гафния, 0,0-0,3 кремния, остальное – никель и возможные примеси.

Способ получения коррозионностойкого сплава хн63мб на никелевой основе с содержанием углерода менее 0,005% // 2749406

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к способам получения коррозионностойкого сплава ХН63МБ на никелевой основе, с содержанием углерода менее 0,005%, и может быть использовано для изготовления сварного химического оборудования, работающего в агрессивных средах. Способ получения коррозионностойкого сплава ХН63МБ на никелевой основе с содержанием углерода менее 0,005% включает расплавление в вакууме шихтовых материалов, рафинирование полученного расплава в вакууме при температуре 1550÷1750°С и выплавку марочного сплава.

Жаропрочный сплав на никелевой основе и изделие, выполненное из него // 2748445

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству жаропрочных сплавов на никелевой основе для изготовления изделий селективным лазерным сплавлением. Жаропрочный порошковый сплав на основе никеля для изготовления изделий селективным лазерным сплавлением содержит, мас.%: хром 1,6-2,4, кобальт 3,0-4,0, алюминий 5,6-6,2, вольфрам 4,6-5,6, молибден 1,6-2,6, тантал 6,0-7,8, углерод 0,12-0,2, бор 0,008-0,03, рений 5,4-7,4, рутений 4,0-6,0, иттрий 0,002-0,02, церий 0,001-0,02, лантан 0,002-0,2, неодим 0,005-0,01, магний 0,001-0,009, кальций 0,001-0,009, кислород 0,0001-0,002, азот 0,0001-0,002, никель – остальное.

Жаропрочный литейный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него // 2740929

Изобретение относится к металлургии, а именно к жаропрочным литейным сплавам на основе никеля, и может быть использовано для литья деталей горячего тракта газотурбинных двигателей. Жаропрочный литейный сплав на основе никеля содержит, мас.

Литейный жаропрочный никелевый сплав с монокристальной структурой // 2768946