Жаропрочный гранулируемый сплав на основе никеля

Авторы патента:

C22C19/056 - Сплавы на основе никеля или кобальта

C22C1/04 - Сплавы (кремни C06C 15/00; обработка сплавов C21D, C22F)

Владельцы патента RU 2789527:

Открытое акционерное общество "Всероссийский институт легких сплавов" (ОАО "ВИЛС") (RU)

Изобретение относится к металлургии, а именно к жаропрочным гранулируемым сплавам на никелевой основе, предназначенным для изготовления критических деталей ГТД, ЖРД и для применения в других деталях, эксплуатирующихся длительное время при температурах выше 500°С с рабочей температурой до 750°С или кратковременно при температурах до 800°С. Жаропрочный гранулируемый сплав на основе никеля содержит, мас. %: Cr 8,0-11,0, Со 14,0-18,0, W 4,5-5,9, Мо 3,0-5,5, Al 4,5-6,0, Ti 1,5-3,0, Nb 2,0-3,5, Hf от 0,08 до менее 0,2, С от 0,02 до менее 0,08, В от 0,006 до менее 0,019, Mg от 0,003 до менее 0,005, Се от 0,001 до менее 0,01, Zr от 0,003 до менее 0,01, Ni остальное. Сплав характеризуется высокими значениями механических свойств при комнатной температуре и при 800°С, а также высокой долговечностью при испытаниях на длительную прочность при 650°С и сопротивление малоцикловой усталости (МЦУ) при 650°С. 1 табл., 1 пр.

Изобретение относится к области металлургии, а именно, к составу гранулируемого жаропрочного сплава на никелевой основе, получаемого прямым горячим изостатическим прессованием (ГИП) гранул с последующей термической обработкой, закалочным охлаждением и старением. Данный сплав предназначен для изготовления критических деталей ГТД и ЖРД и для применения в других деталях, эксплуатирующийся длительное время при температурах выше 500°С с рабочей температурой до 750°С, или используемых кратковременно при температурах до 800°С.

Особенностью сплава является его относительно высокая пластичность при комнатной и рабочих температурах:

- при комнатной температуре σ_В≥1422 МПа, σ_0.2≥1000 Мпа, δ≥18%, Ψ≥18%, КCU≥39 Дж/см².

- при температуре до 800°С σ_В≥1150 МПа, σ_0.2≥1079 МПа, δ≥7%, Ψ≥15%;

- 100-часовая длительная прочность при температуре 650°С и σ=980-1000 МПа, при температуре 750°С и σ=667-706 МПа.

- сопротивление малоцикловой усталости (МЦУ) при температуре 650°С, σ=980 МПа и частоте нагружения f=1 Гц число циклов до разрушения N≥5000-7000 циклов.

Известным аналогом предлагаемого сплава является никелевый гранулируемый сплав ЭП741НП следующего химического состава (в масс. %):

Cr	8,0-10,0
Со	15,0-16,5
W	6,5-7,2
Мо	2,2-3,0
Al	4,7-5,2
Ti	1,3-1,7
Nb	1,2-1,6
Hf	-
С	0,06
В	0,015
Mg	0,02
Се	0,01
Zr	0,015
Ni	остальное

Недостаток сплава - относительно низкие значения σ_B и σ_0.2 при комнатной температуре 1250 МПа и 833 МПа.

Прототипом предлагаемого сплава является «Жаропрочный сплав на основе никеля» патент РФ 2160789 от 20.11.1998 года следующего химического состава (в масс. %):

Cr	8,0-11,0
Со	14,0-18,0
W	4,5-5,9
Мо	3,0-5,5
Al	4,5-6,0
Ti	1,5-3,0
Nb	2,0-3,5
Hf	0,2-1,5
С	0,02-0,08
В	0,01-0,035
Mg	0,005-0,1
Се	0,01-0,06
Zr	0,01-0,1
Ni	остальное

Недостатком сплава-прототипа являются относительно низкие значения долговечности материала при испытаниях на длительную прочность при температурах 650°С и 750°С. При испытаниях на растяжение при температуре 800°С не обеспечиваются требуемые характеристики прочности и пластичности σ_B≥1150 МПа, σ_0.2≥1079 МПа, δ≥7%, Ψ≥15%.

Сплав также не обеспечивает требуемое число циклов 5000-7000 при 650°С и σ≥1000 МПа до разрушения при испытаниях материала на сопротивление МЦУ.

Целью, на достижение которой направлено заявляемое изобретение, является создание новых видов ГТД (газотурбинных двигателей), ЖРД/ТРД (жидкостных ракетных двигателей), (твердотопливных ракетных двигателей) с повышенным ресурсом эксплуатации длительное время при температурах выше 500°С и/или используемых кратковременно при температурах до 800°С. Материал наряду с характеристиками прочности, долговечности и сопротивления МЦУ при комнатной и рабочей температурах должен иметь более высокие показатели пластичности и ударной вязкости.

Технический результат - повышение характеристик длительной прочности и сопротивления МЦУ при рабочих температурах в сочетании с повышенными значениями прочностных и пластических характеристик при комнатной температуре.

Предлагаемый сплав отличается от известного тем, что содержание бора, гафния, церия и циркония устанавливается ниже минимального значения и компоненты взяты в следующем соотношении, мас. %:

1. вместо содержания В 0,01-0,035 масс % (прототип) предлагается ввести содержание В от 0.006 до менее 0.019 масс. %;

2. вместо содержания Hf 0,2-1,5 масс % (прототип) предлагается ввести содержание Hf от 0.08 до менее 0.2 масс. %;

3. вместо содержания Се 0,01-0,06 масс % (прототип) предлагается ввести содержание Се от 0.001 до менее 0.05 масс. %;

4. вместо содержания Zr 0,01-0,1 масс. % (прототип) предлагается ввести содержание Zr от 0.003 до менее 0.01 масс. %;

5. Hf входит в состав карбидов (Hf, Nb, Ti)C, образующихся в процессе кристаллизации слитка при температурах двухфазной области (жидкий расплав - γ-твердый раствор) и сохраняющихся в гранулах и в компактном материале. Hf, как легирующий компонент, активно связывает избыточный углерод. Предлагаемый нижний уровень содержания Hf 0,08 масс. % является достаточным для указанной цели. Содержание Hf свыше 0,2 масс. % уменьшает пластичность сплавов и, как следствие, снижает ресурсные характеристики материала, например, сопротивление МЦУ.

6. В (бор) содержание от 0,006 до менее 0,019 мас. %, он в жаропрочных никелевых сплавах почти не влияет на прочностные свойства сплава при температурах ниже 600°С. Бор необходим для обеспечения заданного уровня долговечности образцов при испытаниях на длительную прочность при температурах 650-800°С. Эксперименты показывают, что при испытании сплава на длительную прочность предлагаемая концентрация атомов бора 0,006 масс. % достаточна для его оптимального содержания на границе зерен. Остальные атомы бора сосредоточены в боридах и карбоборидах. Образование мелких (0,3-0,8 мкм) зернограничных карбоборидов типа Ме₂₃(В, С)₆ положительно влияет на результаты испытаний, тогда как образование крупных (3-10 мкм) карбоборидов типа Ме(В, С), являющихся концентраторами напряжений, снижает показатели прочности и пластичности при комнатной температуре, а также характеристики долговечности.

7. Се (церий) содержание от 0,001 до менее 0,01 мас. %, он является одним из самых активных рафинирующих элементов, связывающих в сплаве вредные примеси S и Р. Предлагаемый нижний уровень содержания церия 0,001 мас. % является достаточным для сужения содержания S и Р что обеспечит требуемый комплекс характеристик при комнатной и рабочих температурах.

8. Zr (цирконий) содержание от 0,003 до менее 0,01 мас. %, он адсорбируется на границах зерен и положительно влияет на длительную прочность сплавов. Предлагаемый нижний уровень содержания циркония 0,003 мас. % является достаточным для обеспечения требуемого комплекса характеристик при рабочих температурах.

9. Ni (никель) - остальное.

Пример

По технологии ВИП (вакуумно-индукционная плавка) → ВДП (вакуумно-индукционный переплав) → PREP (плазменная плавка и центробежное распыление вращающейся заготовки) → ГИП (Горячее изостатическое прессование) → Термическая обработка был изготовлен и опробован сплав предлагаемого химического состава:

Cr	9,1
Со	16,2
W	5,1
Мо	4,2
Al	4,9
Ti	1,8
Nb	2,6
Hf	0,1
С	0,04
В	0,006
Mg	0,005
Се	0,004
Zr	0,0038
Ni	остальное

По аналогичной технологии был получен сплав-прототип.

Механические характеристики предлагаемого сплава и сплава-прототипа представлены в Таблице.

Из представленных данных видно, что образцы предлагаемого гранулированного сплава показали значения длительной прочности на 12% больше и число циклов при испытаниях на малоцикловую усталость (МЦУ) на 65% больше, чем в случае образцов из сплава-прототипа.

Жаропрочный гранулируемый сплав на основе никеля, содержащий хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, титан, ниобий, гафний, углерод, бор, магний, церий, цирконий при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Cr	8,0-11,0
Со	14,0-18,0
W	4,5-5,9
Мо	3,0-5,5
Al	4,5-6,0
Ti	1,5-3,0
Nb	2,0-3,5
Hf	от 0,08 до менее 0,2
С	от 0,02 до менее 0,08
В	от 0,006 до менее 0,019
Mg	от 0,003 до менее 0,005
Се	от 0,001 до менее 0,01
Zr	от 0,003 до менее 0,01
Ni	остальное

Изобретение относится к металлургии, а именно к составам жаропрочных низкоуглеродистых хромоникелевых сплавов, и может быть использовано при изготовлении методом деформации и сварки силовых узлов, деталей энергомашиностроения и турбиностроения, колец цельнокатаных различного назначения, работающих при высоких температурах 700-800°С.

Суперсплав на никелевой основе, монокристаллическая лопатка и турбомашина // 2780326

Изобретение относится к металлургии, а именно к суперсплавам на никелевой основе для газовых турбин, в частности для стационарных лопаток или подвижных лопаток газовой турбины, например, в авиационно-космической отрасли промышленности. Суперсплав на никелевой основе состоит из, мас.%: от 4,0 до 5,5 рения, от 3,5 до 12,5 кобальта, от 0,30 до 1,50 молибдена, от 3,5 до 5,5 хрома, от 3,5 до 5,5 вольфрама, от 4,5 до 6,0 алюминия, от 0,35 до 1,50 титана, от 8,0 до 10,5 тантала, от 0,15 до 0,30 гафния, от 0,05 до 0,15 кремния, остальное - никель и неизбежные примеси, и имеет параметр отсутствия пятнистости (ПОП) ПОП = [%Ta + 1,5%Hf + 0,5%Mo – 0,5%Ti)]/[%W + 1,2%Re)], равный 0,7 или более, где %Ta, %Hf, %Mo, %Ti, %W и %Re представляют собой уровни содержания соответствующих компонентов суперсплава, мас.%.

Жаропрочный свариваемый сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него // 2777099

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным деформируемым сплавам на основе никеля, и может быть использовано для изготовления деталей и компонентов газотурбинных двигателей, энергетических установок, силовых машин, работающих длительно при температурах от 600 до 800°С и вплоть до температуры 900°С.

Жаропрочный никелевый сплав с равноосной структурой // 2777077

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству никелевых жаропрочных сплавов, и может быть использовано при изготовлении деталей и узлов для авиационных газотурбинных двигателей и газоперекачивающих, энергетических и морских газотурбинных установок, применяемых в авиации, судостроении, энергетике, ракетостроении и других отраслях промышленности, в том числе для высокотемпературных штампов.

Сплав на основе интерметаллида ni3al и способ его получения // 2775419

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным жаропрочным сплавам на основе интерметаллида Ni3Al и способам получения отливок из них методом направленной кристаллизации с монокристаллической структурой для изготовления деталей горячего тракта газотурбинных двигателей авиационного назначения.

Никелевый жаропрочный сплав для монокристаллического литья // 2775309

Изобретение относится к металлургии, а именно к литейным жаропрочным никелевым сплавам, предназначенным для литья лопаток и других ответственных деталей газовых турбин, имеющих монокристальную структуру и длительно работающих при температурах выше 1000°С. Никелевый жаропрочный сплав для монокристаллического литья содержит, мас.%: углерод 0,002-0,05, хром 1,0-4,0, кобальт 0,3-3,0, вольфрам 0,05-3,0, молибден 4,0-6,2, алюминий 5,0-7,2, титан 0,05-0,9, тантал 4,0-8,5, гафний 0,05-0,6, рений 5,5-8,5, бор 0,005-0,02, 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, ванадий 0,05-0,6, скандий 0,005-0,03, празеодим 0,005-0,05, никель – остальное, при соблюдении следующих условий: 17,7≥1,12CW+СТа+1,2CRe; 1,16CW+CTa+2,12CRe≥23,4; 21≥2,9CCr+1,5CMo+0,7CW+1,1CRe, где CW, СТа, CRe, СCr, CMo - концентрация соответствующих элементов в сплаве, мас.%.

Суперсплав на никелевой основе, монокристаллическая лопатка и турбомашина // 2774764

Изобретение относится к металлургии, в частности к суперсплавам на никелевой основе для газовых турбин. Суперсплав на никелевой основе содержит в мас.%: от 4,0 до 5,5 рения, от 1,0 до 3,0 рутения, от 2,0 до 14,0 кобальта, от 0,30 до 1,00 молибдена, от 3,0 до 5,0 хрома, от 2,5 до 4,0 вольфрама, от 4,5 до 6,5 алюминия, от 0,50 до 1,50 титана, от 8,0 до 9,0 тантала, от 0,15 до 0,30 гафния, от 0,05 до 0,15 кремния, остальное - никель и неизбежные примеси, при этом он имеет монокристаллическую структуру, включающую диспергированные в γ-матрице выделения γ'-Ni3(Al, Ti, Ta) с размером 300-500 нм в количестве 50-70 об.%.

Сплав для тарелки волокнообразования // 2773040

Изобретение относится к металлургии, а именно к сплаву на основе никеля, пригодному для применения при производстве минеральной ваты. Сплав на основе никеля, пригодный для применения при производстве минеральной ваты, содержит, мас.%: Cr от 20 до 35, Fe от более 3 до 6, W от 3 до 8, Nb от 0,5 до 3, Ti от 0 до 1, C от 0,4 до 1, Co от 0 до 3, Si от 0,1 до 1,5, Mn от 0,1 до 1, остальное составляют никель и неизбежные примеси.

Литейный жаропрочный никелевый сплав с монокристаллической структурой // 2769330

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≥3,0CMo+1,6CW+2,3CTa+1,3CRe+10,0CHf, где СМо, CW, СТа, CRe, CHf - концентрации соответствующих легирующих элементов в сплаве, мас.%, иСAl/(CTi+CNb+CTa+CHf+0,57CW+0,46CMo)≥1,0 (ат.%/ат.%), где СAl, СTi, CNb, СТа, CHf, CW, СМо - концентрации соответствующих элементов в γ'-фазе, ат.%.

Жаропрочный никелевый сплав для литья деталей с монокристаллической структурой // 2768947

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 сплав на никелевой основе и изделия, выполненные из него // 2787532