Литейный жаропрочный никелевый сплав 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 2769330:

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

Изобретение относится к области металлургии - к производству литейных жаропрочных никелевых сплавов, предназначенных для литья лопаток и других ответственных деталей газовых турбин, имеющих монокристальную структуру. Литейный жаропрочный никелевый сплав с монокристаллической структурой содержит углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, тантал, рений, бор, церий, лантан, иттрий, магний, отличается тем, что он дополнительно содержит гафний, марганец, кремний, скандий, титан, ниобий, цирконий при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,002-0,1, хром 2,8-6,0, кобальт 3,0-6,5, вольфрам 2,0-5,0, молибден 1,5-3,5, алюминий 5,4-6,3, титан 0,1-1,2, ниобий 0,1-1,0, тантал 7,2-9,0, гафний 0,1-0,3 рений 4,3-7,0, бор 0,005-0,01, цирконий 0,005-0,03, церий 0,001-0,1, лантан 0,001-0,1, иттрий 0,001-0,1, магний 0,01-0,03, марганец 0,01-0,2, кремний 0,01-0,2, скандий 0,005-0,03, никель - остальное, при соблюдении следующих условий:

44,2≥3,0C_Mo+1,6C_W+2,3C_Ta+1,3C_Re+10,0C_Hf, где С_Мо, C_W, С_Та, C_Re, C_Hf - концентрации соответствующих легирующих элементов в сплаве, мас.%, и

С_Al/(C_Ti+C_Nb+C_Ta+C_Hf+0,57C_W+0,46C_Mo)≥1,0 (ат.%/ат.%), где С_Al, С_Ti, C_Nb, С_Та, C_Hf, C_W, С_Мо - концентрации соответствующих элементов в γ'-фазе, ат.%. Обеспечивается снижение удельного веса сплава при сохранении высокого уровня жаропрочности. 2 табл.

Литейный жаропрочный никелевый сплав с монокристальной структурой, содержит (мас. %): углерод 0,002-0,01; хром 2,8-6,0; кобальт 3,0-6,5; вольфрам 2,0-5,0; молибден 1,5-3,5; алюминий 5,4-6,3; ниобий 0,1-1,0; тантал 7,2-9,0; рений 4,3-7,0; бор 0,005-0,01; цирконий 0,005-0,03; церий 0,001-0,1; лантан 0,001-0,1; иттрий 0,001-0,1; магний 0,01-0,03, а также дополнительно титан 0-1,2; гафний 0,1-0,3; марганец 0,01-0,2; кремний 0,01-0,2;скандий 0,005-0,03; никель - остальное.

Увеличение параметров авиационных двигателей прямым образом связано с требованием повышения жаропрочности никелевых сплавов, используемых при литье монокристальных лопаток газовых турбин.

В настоящее время для производства никелевых сплавов с более высоким уровнем жаропрочности в России и за рубежом начали применять кроме весьма дорого и дефицитного рения еще и элемент платиновой группы рутений. Реализация этого направления развития действительно позволила получить сплавы 5-го поколения с уровнем свойств порядка 300 МПа, однако при этом резко возросла их стоимость.

В связи с этим одной из актуальных задач является создание сплавов имеющих такой же высокий уровень жаропрочности, соответствующий металлическим материалам 4-5-го поколений , но при этом не имеющих в своем составе рутений.

Известен жаропрочный никелевый сплав (Pat. Wo2019/097163, фирма Safran, Франция, опубл. 14.11.2018), содержащий в своем составе (мас. %):

рений	4,5-5,5
кобальт	3,5-12,5
молибден	0,3-1,5
хром	3,5-5,5
вольфрам	3,5-5,5
алюминий	4,5-6,0
титан	0,35-1,5
тантал	8,0-10,5
гафний	0,15-0,3
кремний	0,05-0,15
никель	остальное.

Сплав имеет высокий уровень жаропрочности (его равно МПа). При этом, однако, данного сплава при максимально допустимом 0,9. Это означает, что в структуре сплава возможно появление охрупчивающих ТПУ-соединений. Кроме того, его удельный вес равен 9,02 г/см³, что также является нежелательным. Недавно в Китае был разработан сплав (патент Китая №106756249, опубл. 31.05.2017 г.), имеющий следующий состав (мас. %):

хром	3-5
кобальт	6-13
вольфрам	6-8
молибден	0,1-2,0
рений	4,5-6,0
рутений	2-4
алюминий	5,5-6,5
тантал	6,0-10,0
гафний	0,-0,2
никель	остальное.

Этот сплав также обладает высокой жаропрочностью - его при удельном весе 8,96 г/см³.

Главным его недостатком, ограничивающим успешное применение, является наличие (Re+Ru) и соответственно - высокая стоимость.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является литейный никелевый жаропрочный сплав с монокристальной структурой (патент РФ №2402624, опубл. 27.10.2010 г.), имеющий следующий химический состав (мас. %):

хром	2,5-4,5
кобальт	5,0-6,0
алюминий	5,4-6,0
вольфрам	3,5-4,5
молибден	2,8-3,8
тантал	5,3-6,3
рений	5,8-6,8
рутений	4,6-6,4
церий	0,001-0,02
лантан	0,002-0,1
неодим	0,0005-0,01
иттрий	0,002-0,02
углерод	0,002-0,05
бор	0,0004-0,004
магний и/или кальций	0,001-0,009
никель	остальное.

Сплав является представителем 5-го поколения монокристальных никелевых жаропрочных сплавов. Он имеет жаропрочность его при достаточно большом удельном весе - 9,03 г/см³. Кроме того, в его составе находится дорогих элементов (Re+Ru).

Техническим результатом изобретения является снижение общего суммарного содержания, крайне дорогих легирующих элементов (Re+Ru) при исключении из состава сплава рутения, снижение его удельного веса при сохранении высокого уровня жаропрочности.

Технический результат достигается тем, что литейный жаропрочный никелевый сплав с монокристаллической структурой, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, тантал, рений, бор, церий, лантан, иттрий, магний, согласно настоящему изобретению, дополнительно содержит гафний, марганец, кремний, скандий, титан, ниобий, цирконий при следующем соотношении компонентов (мас. %):

углерод	0,002-0,1
хром	2,8-6,0
кобальт	3,0-6,5
вольфрам	2,0-5,0
молибден	1,5-3,5
алюминий	5,4-6,3
титан	0,1-1,2
ниобий	0,1-1,0
тантал	7,2-9,0
гафний	0,1-0,3
рений	4,3-7,0
бор	0,005-0,01
цирконий	0,005-0,03
церий	0,001-0,1
лантан	0,001-0,1
иттрий	0,001-0,1
магний	0,01-0,03
марганец	0,01-0,2
кремний	0,01-0,2
скандий	0,005-0,03
никель	остальное.

В заявленном сплаве с целью уменьшения удельного веса несколько снижено суммарное содержание тугоплавких элементов, отличающихся высоким удельным весом, однако при этом для сохранения уровня жаропрочности увеличена концентрация тантала, эффективно повышающего высокотемпературную работоспособность никелевых сплавов. С этой же целью в сплав дополнительно введены гафний и скандий. Гафний, как известно, активно повышает жаропрочность сплавов на основе никеля. Однако он обладает низкой растворимостью в γ-твердом растворе. Поэтому его вводят в небольших количествах, избегая появления новых фазовых выделений и соответственно возникновения нежелательных для монокристаллов границ зерен.

Скандий эффективно увеличивает энергию когезии никеля и тем самым способствует улучшению высокотемпературной прочности γ-матрицы.

Кроме того, тантал и скандий в первую очередь располагаются в дефектных объемах, что приводит к увеличению длительной прочности.

Учитывая, что сплав предназначен для работы при очень высоких температурах (1000°С и более) в условиях активного воздействия коррозии, в сплав дополнительно введены марганец и кремний в количествах, при которых они обеспечивают эффективную защиту от высокотемпературной коррозии, но при этом не снижают прочностные характеристики.

Поскольку для увеличения жаропрочности важно использовать минимально возможные механизмы упрочнения в сплав введен дополнительно титан, который снижает скорость коагуляции частиц и рафт-пластин γ'-фазы в процессе высокотемпературного нагружения сплавов, тем самым способствуя улучшению их работоспособности.

При легировании сплава также необходимо ввести требования, обеспечивающие отсутствие условий распада γ-матрицы и выделения из нее охрупчивающих ТПУ-фаз. Это условие основано на широко используемой в методе New Phacomp зависимости, а именно:

Здесь суммарная энергия валентных электронов элементов, входящих в состав сплава, С_i - атомные концентрации элементов, образующих γ-фазу.

Для области легирования предложенного сплава зависимость (1) преобразуется в следующую:

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

Укажем, что в соответствии с нашими исследованиями , которое в методе New Phacomp равно 0,93, зависит от атомной массы γ-фазы сплава и для уровня сложности предлагаемой области легирования оно равно 0,9.

Для ограничения процесса распада упрочняющий γ'-фазы предлагаемого сплава, которое приводит к снижению его работоспособности, представлена следующая зависимость:

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

Таким образом, дополнительно к указанной области легирования вводятся условия (2) и (3), обеспечивающие требуемую работоспособность предлагаемого сплава.

Сравнительная оценка уровня жаропрочности предлагаемого сплава (3 опытных состава) и известного сплава (патент РФ №2530932), выбранного за прототип, представлены в Таблице 1 и 2.

Сравнение результатов, приведенных в Таблице 2, показывает, что предлагаемый сплав при уровне длительной прочности более 300 МПа отличается от прототипа:

- меньшим удельным весом (что имеет весьма важное значение для обеспечения более низкого удельного веса газовой турбины);

- более высокой работоспособностью, поскольку температура полного растворения γ'-фазы в предлагаемом сплаве (равна или выше 1320°С) заметно превосходит T_прγ' прототипа, имеющего 1308°С;

- самое главное - новый сплав существенно (более чем на 35%) экономичнее прототипа, стоимость 1 кг его шихты равна (22,8-23,4) тыс руб., в то время как удельная цена шихты сплава с (Re+Ru) составляет величину тыс руб.;

- при использовании этого материала отпадает необходимость применения элементов драгоценной платиновой группы.

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

углерод	0,002-0,1
хром	2,8-6,0
кобальт	3,0-6,5
вольфрам	2,0-5,0
молибден	1,5-3,5
алюминий	5,4-6,3
титан	0,1-1,2
ниобий	0,1-1,0
тантал	7,2-9,0
гафний	0,1-0,3
рений	4,3-7,0
бор	0,005-0,01
цирконий	0,005-0,03
церий	0,001-0,1
лантан	0,001-0,1
иттрий	0,001-0,1
магний	0,01-0,03
марганец	0,01-0,2
кремний	0,01-0,2
скандий	0,005-0,03
никель	остальное,

при соблюдении следующих условий:

44,2≥3,0C_Mo+1,6C_W+2,3C_Ta+1,3C_Re+10,0C_Hf,

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

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

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.

Литейный жаропрочный никелевый сплав с монокристальной структурой // 2768946

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 никелевый сплав для литья деталей с монокристаллической структурой // 2768947