Жаропрочный коррозионностойкий сплав на основе никеля

 

ЖАРОПРОЧНЫЙ КОРРОЗИОННОСТОЙ КИЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, титан, ниобий, i бор, иттрий, цирконий и магний, о тИзобретение относится к металлур ии сплавов, в частности к коррозионностойким жаропрочным сплавам на основе никеля с интерметаллидным упрочнением , применяемых дЯя сопловых охлаждаемых лопаток и других деталей газотурбинных двигателей, .где требуются высокая длительная прочность при температурах 950°С, жаростойкость и стойкости к высокотемпературной солевой коррозии в условиях морской атмосферы и агрессивного топлива , Известен жаропрочный коррозионностойкий сплав на основе никеля,содержащий ,мас.%: 23,5-26 Crj 10-24 Со; .,тт1 ЕИБЛИОТЕ-,А личающийся тем, что, с целью повышения коррозионной стойкости , он дополнительно содержит гафний и лантан при следзпощем соотношении компонентов, мас.%: 0,10-0,20 Углерод 18,0-21,0 Хром 1,0-4,0 Вольфрам 0,1-2,5 Молибден 2,5-5,0 Алюминий 2,5-5,0 Титан Кобальт 1,0-6,0 Ниобий 0,1-2,0 0,52-1,0 Гафний 0,001-0,1 Лантан 0,02-0,1 Бор ю 0,001-0,1 Цирконий (Л 0,001-0,1 Магний 0,001-0,1 Иттрий Никель остальное CD СД СО 4 4 0,5-2,1 Мо; 0,01-0,2 С; 4,25-5,6 (Ti-t-Al) при отношении Ti:Al от 1:1 до 4:1; 0-2,0 ЬТэ; 0,001-0,05 В; О СО 0,15 Zr; 0-0,1 Hf; 0-0,04.Mg; О 0 ,3 fSM; 0-2 Y. Наиболее близким к предложенному по технической сущности к достигаемому результату является литой жаропрочный сплав на основе никеля,который содержит углерод, хром, алюминий, титан, вольфрам, молибден, ниобий, кобальт, бор, магнийS церий, барий, иттрий, цирконий, никельпри следую-, щем соотношении компонентов,мас.%: Углерод 0,13-0,30 Хром16,5-20,5

СОЮЗ СО8ЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„959443

А1 (51)5 С 22 С 19/05

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЦТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 3221699/22-02 (22) 23.12.80 (46) 30.10.90. Бюл. И - 40 (72) О.С.Костырко, Г.Ф.Мяльница, Н.И.Матюшенко, О.Г.Жирицкий, Е.Г.Овчаренко, Н.H.Âîëîùåíêî, Т.Н.Педан, В.В.Богаевский и И.В.Орьппич (53) 669. 245 784 26 71, 295 27 28

293 25 78! 721 854 898 794 297

669.018.4 (088.3) (56) РЖ "Металлургия", 1973, У 7, 7ИббОП, с.бО.

Авторское свидетельство СССР

Р 624471, кл. С 22 С 19/05, 1976., (54)(57) EAPOPPO×ÍÛÉ КОРРОЗИОННОСТОЙКИЙ СПЛАВ НА ОСН03Е НИКЕЛЯ, содержа щий углерод, хром, кобальт, вольфрам, :молибден, алюминий, титан, ниобий,, бор, иттрий, цирконий и магний, о тИзобретение относится к металлургии сплавов, в частности к коррозионностойким жаропрочным сплавам на основе никеля с интерметаллидным упрочнением, применяемых для сопловых силаждаемых лопаток и других деталей газотурбинных двигателей, где требуются высокая длительная прочность при температурах 950 С, жаростойкость и стойкость к высокотемпературной солевой коррозии в условиях морской атмосферы и агрессивного топ/ лива.

Известен жаропрочный коррозионно" стойкий сплав на основе никеля,содержащий,мас.X: 23,5-26 Cr; 10-24 Со;

2 л и ч а ю шийся тем, что, с целью повьппения коррозионной стойкости, он дополнительно содержит гафний и лантан при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 0,10-0,20

Хром 18,0-21,0, Вольфрам 1,0-4,0

Молибден 0,1-2,5

Алюминий 2,5-5,0

Титан 2,5-5,0

Кобальт 1,0-6,0

Ниобий 0,1-2,0

Гафний 0,52-1,0

Лантан 0,001-0,1

Бор 0,02-0,1

Цирконий 0,001-0,1

Магний 0,001-0, 1

Иттрий 0,001-0,1

Никель остальное 0,5-2,1 Мо; 0,01-0,2 С; 4,25-5 6 (Ti+Al) при отношении Ti:А1 от 1:1 до 4: 1; 0-2,0 !!Ь; 0,001-0,05 В; 0

0,15 Zr; 0-0,1 Hf 0-0,04 Ng; 0—

0,3 ЗМ; 0-2 Y.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является литой жаропрочный сплав на основе никеля, который содержит углерод, хром, алюминий, титан, вольфрам, молибден, ниобий, кобальт, бор, магний, церий, барий, иттрий, цирконий, никель при следую-. щем соотношении компонентов,мас.%:

Углерод 0,13-0,30 Хром 16,5-20,5

959443

Алюминий 3,0-6,0

Титан 2,0-4,0

Вольфрам 2,0-8,0

Молибден 3,0-7,0

Ниобий 1,0-3,0

Кобальт 0,1-5 0

Бор 0,02"0,3

Магний 0,01-0,1

Церий 0,01-0,1 "0

Барий 0,01-0,2

Иттрий 0,001-0,1

Цирконий 0,001-0,1

Никель Остальное

Этот сплав после термической обработки, состоящей из закалки от температуры !180 С,выдержки в течение о

2-4 ч, охлаждения на воздухе и старения при температуре 950оС в течение 3-4 ч с охлаждением на воздухе 20 имеет следующие механические характеристики:

Темпеt, (g, В 1 кг/мм ратура испытания, С о

20 98 76

700 86 71

800 84 70

850 78 64

900 65 57

4 6

6 9

7 10

9 11

10 15

35

Сплав при температуре 900 С и иапо ряжениях 20 и 22 кг/мм имеет время до разрушения соответственно 192—

293 и 98-152 ч. Сопротивление сплава высокотемпературной солевой коррозии, определенное по убыли веса,составляет 3,2-6,7 мг/см ч после испытаний в смеси солей 90 Ба 80 .! 10

НаС1 при температуре 900 С в течение

10 ч и последующего снятия окалины в эвтектической смеси щелочей НаОН и КОН при температуре 300 С.

Целью изобретения является повышение коррозионной стойкости.

Для достижения указанной цели в известный жаропрочный сплав, содержащий никель, углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, титан, ниобий, бор, церий, иттрий, цирконий, магний, дополнительно вводят гафний и лантан, при следующем соотношении компонентов, мас. :

Углерод О, 1 0-0, 20

Хром 18,0-21,0

Вольфрам 1,0-4,0

Молибден 0,1-2,5

Алюминий 2,5-5,0

Титан 2,5-5,0

Кобальт 1 0-6,О

Ниобий 0,1-2,0

Гафний 0,52-1,0

Лантан 0,001-0ij

Бор 0,02-0,1

Цирконий 0,001-031

Магний 0,00!-0»1

Иттрий 0,001-0,1

Никель Остальное

Примеси: сера не более 0,01, фосфор не более 0,015, кремний не более 0,30, марганец не более 0,30.

Более низкое содержание молибдена в составе никелевого сплава позволяет получить более стабильную структуру, Содержание молибдена ниже О, 1 . или полное отсутствие его приводит к снижению длительной прочности. Увеличение содержания молибдена более 2,5 . приводит к нарушению стабильности и появлению охрупчивающих фаз, приводящих к разупрочнению сплава.

В литом состоянии известного спла" ва в междендритных и межосных участках располагаются крупные выделения карбидов и боридов, имеющие вид скелетообразной эвтектики. Такое распределение карбидов и боридов приводит к охрупчиванию литого сплава.

Гафний используется в жаропрочных никелевых сплавах для повышения длительной прочности при сохранении ударной вязкости, пластичности при комнатной и рабочей температурах.

Положительное его влияние на свойства сплавов связано с тем, что гафний располагается в карбидах, частично вытесняет из карбидов титан, молибден, вольфрам и приводит к дополнительному легированию и упрочнению матрицы.

В сплаве, легированном гафнием, в междендритных и межосных участках практически не наблюдаются карбиды и бориды скелетообразной формы. Частицы боридов и карбидов становятся более мелкими, приобретают скругленную форму и распределяются значительно равномернее.

Пределы оптимальных значений зависят от химического состава сплава и его состояния, при этом зависимость

959443

5 свойств сплава от содержания гафния имеет экстремальный характер.

Введение гафния до 0,527. незначительно сказывается на свойствах спла-. ва, увеличение содержания гафния более I,OX приводит к ухудшению пластичности и коррозионной стойкости.

В жаропрочные коррозионностойкие сплавы на никелевой основе лантан вводится с целью повышения длительной прочности.

Эффект положительного влияния

РЗИ на высокотемпературные характеристики сплавов связан с очищением границ зерен, с возможным растворением его небольших остаточных количеств в граничных объемах. Введение лантана приводит к изменениям границ . зерен и тонкой внутризеренной структуры, а также изменяет диффузионную подвижность атомов легируюших элементов. С введением малых добавок лантана наблюдается тенденция к за" медлению диффузионных процессов по границам зерен и в объеме зерна.

Однако при повышении количества лантана () 0,)X) происходит сниже ние стойкости образцов и уменьшение характеристик остаточной пластичности и длительной прочности.

Пример. Для получения сплава, .были подготовлены четыре смеси ингре.диентов. Плавку и заливку форм с заготовками образцов сплава и сопловых охлаждаемых лопаток производили в вакуумной индукционной печи. Температура заливки металла в формы 1540—

1560оС. Испытания сплава проводили ,после закалки от температурой )170 С с выдержкой в .течение 3 ч и старения при 950 С в течение 3 ч.Составы сплава и его свойства при-. ведены в табл.1 и 2 соответственно.

Базовый сплав с гранично низким . содержанием углерода, хрома и сред- ним содержанием других элементов был отлит на заводе "Электросталь" в ко5 личестве 900 кг по следующей технологии: выплавка в открытой индукционной печи, разливка электродов .ф 128 мм на

УПНРС, переплав в вакуумно-дуговой печи в кристаллизаторе ф 160 мм на прессе 6300 т. Из базового сплава было выплавлено 24 состава сплава в порционной вакуумно-индукционной печи УППФ-)И емкостью 15 кг и четыре комплекта сопловых охлаждаемых лопа- . ток различных наименований для стен" довых двигателей. Заливку металла проводили в нагретые формы до 900 С о при температуре 1500-1570 С. Иехани20 ческие свойства при комнатной температуре и при температуре 900 С определяли на стандартных образцах с рабочей частью диаметром 5 мм. Испытания сплавов проводили после закалки о

25 от температуры 1170 С с выдержкой в течение 2-4 ч и охлаждением на воздухе и старения при 950 С, 3 ч. Проведенная опытно-промышленная проверка сплава предложенного состава на

30 охлаждаемых сопловых лопатках газотурбинного двигателя показала надежную работоспособность на дизельном топливе и в присутствии солей морской воды. Дополнительное легирование гафнием и лантаном позволило сохранить уровень длительной прочности 160-180 ч при стойкости к высокотемпературной солевой коррозии

0,6-1,2 мг/см .ч после испытаний в и

40 смеси солей 90X Na SOy + )ОЖ 1)аС1 при температуре 900 С в течение .10 ч и последующего снятия окалины в эвтектической смеси щелочей ИаОН и КОН при температуре 300 С.

959443

Номер плавки

Элемент

Прототип (г ) з

0,001-0,1

0,02"Oi3

0,01-0,1

0;001-0,1

Редактор С.Титова

Техред Л.Олийнык

Корректор В.Гирняк г

Заказ 4352 тираж 489 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r.Óæãîðîä, ул. Гагарина, 101

Углерод

Хром

Кобальт

Молибден

Вольфрам

Алюминий

Титан

Ниобий

Гафний

Лантан

Цирконий

Бор

Магний

Иттрий ,Никель

0,1

18,0

1,0

0,1

1,0

2,5

2,5

0,l

0,52

0,001

0,001

0,02

0,001

0,001

0,12 0,14

l9 0 20,0

2,0 . 4,0

1,0 2,0

2,0 3,0

3,0 4,0

3,0 4,0

1,0 1,5

0,65 0,8

0,02 0,08

0,06 0,08

0,04 0,08

0,02 0,08

0,02 0,08

Остальное

0,20

21,0

6,0

2,5

4,0

5,0

5,0

2,0

1,0

0,1

0,1

0,1

0,1

0,.1

0,13-0,30

16,5-20,5

0il-5,О

3,0-7,0

2,0-8,0

3,0-6,0

2,0-4 0

1,0-3,0