ДИСПЕРСНОУПРОЧНЕННЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ Российский патент 1994 года по МПК C22C19/05 

Изобретение относится к металлургии сплавов, а именно литейных жаропрочных сплавов на основе никеля, и может быть использовано для изготовления лопаток газовых турбин различного назначения, работающих в нагруженном состоянии при 1000^оС и более.

Известны в металлургии сплавы, содержащие в качестве основы никель, а также хром, кобальт, углерод, алюминий, титан, молибден, вольфрам, ниобий, рений, тантал, цирконий, бор, иттрий, церий, служащие для изготовления литых лопаток газовых турбин и других деталей, работающих длительно под нагрузкой при 1000^оС и более, и обладающие определенными механическими свойствами, в том числе жаропрочными.

Из описанных жаропрочных литейных сплавов на основе никеля, используемых для лопаток газовых турбин, по составу ингредиентов наиболее близок к заявляемому сплаву сплав - ЖС-32, принятый за прототип и приведенный в ТУI-92-99-88 ВИАМ, который содержит указанные ингредиенты в следующих количествах мас.%
никель основа углерод 0,13-0,18 хром 4,3-5,6 кобальт 8,0-10,0 молибден 0,8-1,4 вольфрам 7,7-9,3 рений 3,5-4,5 ниобий 1,4-1,8 тантал 3,5-4,5 алюминий 5,6-6,3 бор 0,015 церий 0,025 иттрий 0,005 цирконий 0,005
Сплав ЖС-32ВИ после получения отливок методом высокоскоростной направленной кристаллизации и последующей теpмической обработки (выдержка в вакуумной электропечи при 1230-1285^oС 1-2 ч, охлаждение со скоростью 40-80^о/мин; отжиг 1000-1100^оС), имеет согласно данных, приведенных в сертификате, следующие свойства: продолжительность до разрушения при напряжении 300 МПА и 975^оС 40 ч;
продолжительность до разрушения при напряжении 280МПА и 1000^оС составляет 50 ч;
продолжительность до разрушения при напряжении 140МПА и 1100^оС составляет 50 ч.

Жаропрочные свойства сплава ЖС-32 не удовлетворяют современным требованиям, связанным с условиями эксплуатации лопаток ГТД, точнее со значительным увеличением их ресурса и повышением рабочих температур.

Возможности повышения жаропрочных свойств за счет дополнительного легирования этого сплава металлическими добавками исчерпаны, так как это связано с понижением его пластических свойств, что отрицательно сказывается при монтаже ГТД и на начальных этапах их работы.

Целью данного изобретения является создание сплава, который обладал бы более высокой длительной прочностью в интервале температур 975-1100^оС без существенного снижения пластических свойств.

Для достижения указанной цели в известный сплав, в состав которого входят никель и другие указанные ингредиенты, согласно изобретению дополнительно вводят от 0,1 до 3 мас.% тугоплавких мелкодисперсных частиц карбонитрида титана (диаметр частиц 0,05-0,5 мкм).

Таким образом, существенным отличием предлагаемого сплава от известных, в том числе от прототипа, является содержание в нем тугоплавких мелкодисперсных частиц карбонитрида титана, обеспечивающих существенное увеличение длительной прочности в интервале температур 975-1100^оС, без заметного снижения пластичности. Такой эффект недостижим при обычном легировании сплава только металлическими добавками.

Пример осуществления изобретения.

Для получения сплава были подготовлены 4 заготовки сплава ЖС-32 массой в 2 кг каждая и 3 таблетки (спеченного) мелкодисперсного порошка карбонитрида титана (диаметр частиц 0,05-0,50 мкм), по 0,02 кг каждая.

Сплавы расплавлялись в вакуумной индукционной печи УВНК-8П при остаточном давлении 5˙ 10^-3 ГПА. Технология выплавки предложенного сплава отличалась от используемой для известного сплава следующим. Перед разливкой на чистое зеркало металла присаживали таблетку спрессованных мелкодисперсных частиц карбонитрида титана и перемешивали расплав в течение 2 мин за счет действия индуктора. Затем сплав заливали в формы, изготовленные по выплавляемым моделям.

Полученные таким образом точно литые образцы, подвергнутые термической обработке (выдержка при 1250^оС 1,5 ч, охлаждение со скоростью 50^о/мин и отжигу при 1050^оС) и последующей обработке, испытывали на длительную прочность при температурах 975, 1000, 1100^оС согласно Н28ТУ146.

Результаты химического анализа и испытаний сплавов приведены в таблице.

Как видно из таблицы, длительная прочность существенно превышает эти же характеристики известного сплава.

Более высокие характеристики заявляемого сплава позволяют существенно увеличить ресурс лопаток ГТД, повысить КПД, улучшить экономические показатели их работы.

Сплав получают обычной вакуумной плавкой и литьем, что существенно упрощает технологический процесс по сравнению, например, с методами порошковой металлургии, которыми традиционно изготовляют дисперсно-упрочненные сплавы, и позволяет отливать сложные по конфигурации изделия.

Дисперсно-упрочненный литейный сплав на основе никеля. Сплав содержит следующие компоненты, мас.%: кобальт 8,0 - 10,0; молибден 0,8 - 1,4; вольфрам 7,7 - 9,3; рений 3,5 - 4,5; тантал 3,5 - 4,5; ниобий 1,4 - 1,8; алюминий 5,5 - 6,3; бор 0,015; церий 0,025; иттрий 0,005; цирконий 0,005; карбонитрид титана 0,005 - 3; никель остальное. 1 табл.

ДИСПЕРСНОУПРОЧНЕННЫЙ ЛИТЕЙНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ, содержащий хром, углерод, кобальт, молибден, вольфрам, рений, ниобий, алюминий, бор, тантал, церий, цирконий, иттрий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит мелкодисперсные частицы карбонитрида титана при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод 0,13 - 0,18
Хром 4,3 - 5,6
Кобальт 8,0 - 10,0
Молибден 0,8 - 1,4
Вольфрам 7,7 - 9,3
Рений 3,5 - 4,5
Тантал 3,5 - 4,5
Ниобий 1,4 - 1,8
Алюминий 5,5 - 6,3
Бор 0,015
Церий 0,025
Иттрий 0,005
Цирконий 0,005
Карбонитрид титана 0,05 - 3
Никель Остальное