ЛИТЕЙНЫЙ ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ Российский патент 1994 года по МПК C22C19/05 

Изобретение относится к металлургии сплавов на основе никеля, содержащих хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, титан, ниобий, углерод, бор, иттрий и цирконий и используемых в энергетической, авиастроительной, судостроительной и др. отраслях промышленности для изготовления литых лопаток газовых турбин, работающих при температуре 800-1000^oC в агрессивных газовых средах.

В настоящее время для ответственных деталей газотурбинных двигателей в основном используются аустенитные сложнолегированные никелевые сплавы. При этом основные трудности при разработке лопаточных материалов заключаются не столько в повышении жаропрочности сплавов, сколько в обеспечении оптимального сочетания необходимого уровня их стойкости против коррозии и окисления и высокого уровня жаропрочности при высокой фазовой стабильности. Известно, что увеличение содержания тугоплавких элементов, образующих упрочняющую интерметаллидную фазу, в коррозионностойких сплавах приводит к снижению их фазовой стабильности и увеличению склонности к выделению охрупчивающих фаз ( σ-, μ- и η - фаз).

Таким образом, возможность улучшения служебных свойств новых жаропрочных сплавов связана прежде всего с балансировкой их химического состава на основе обеспечения структурной стабильности и коррозионной стойкости.

Из известных жаропрочных сплавов, применяемых для изготовления литых лопаток современных энергетических и авиационных газовых турбин, по составу ингредиентов и своей технической сущности наиболее близкими являются различные вариации сплава ЖС6-К (ОСТ.1.90126-85), содержащие, мас.%: Углерод 0,13-0,20 Хром 9,5-12,0 Кобальт 4,0-5,0 Молибден 3,5-4,8 Вольфрам 4,5-5,5 Алюминий 5,0-6,0 Титан 2,5-3,2 Бор 0,020 (по
расчету) Церий 0,025 (по
расчету) Цирконий 0,040 (по
расчету) Никель Основа
Известный сплав обладает достаточно высоким уровнем длительной прочности: σ₁₀₀⁹⁰⁰ ≥ 30 кгс/мм² в отливках с равноосной структурой и σ₁₀₀⁹⁰⁰ ≥ 32 кгс/мм² в отливках с ориентированной структурой, полученных методом направленной кристаллизации. Однако плохая стойкость против высокотемпературной сульфидной коррозии не позволяет рекомендовать этот сплав к применению в газотурбинных двигателях, работающих на дешевом топливе, имеющем повышенное содержание серы и др. коррозионноактивных примесей. Кроме того, перспективные проекты газотурбинных установок повышенной стойкости и ресурса требуют материалов с более высоким уровнем жаропрочности.

Целью изобретения является создание высокожаропрочного никелевого сплава, обладающего необходимым уровнем коррозионной стойкости и высоким уровнем фазовой и структурной стабильности.

Поставленная цель достигается путем следующего изменения ингредиентов:
1. В целях повышения стойкости против высокотемпературной солевой коррозии отношение титана и алюминия доводится до значений Тi/Al ≥1,0 и их концентрация в сплаве изменяется с 5,0-6,0% по массе Al и 2,5-3,2% по массе Тi до 3,9-4,3 Al и 4,0-4,6% Тi. Кроме того, снижается содержание молибдена с 3,5-4,8% по массе до 0,7-1,3% и повышается содержание хрома с 9,5-12,0% по массе до 10,0-13,8% , а также для улучшения адгезии окисной пленки с основным металлом вводится иттрий в концентрации 0,005-0,03 мас.%.

2. Одновременно для повышения уровня жаропрочности и температурной способности увеличивается содержание кобальта с 4,0-5,0 до 6,9-7,9 мас.% и вольфрама с 4,5-5,5 до 6,0-7,0 мас.%, а также дополнительно вводятся ниобий в концентрации 0,6-1,0 мас.% и иттрий 0,005-0,03 мас.%. При этом обеспечивается высокая структурная стабильность предлагаемого сплава, оцененная с помощью расчетно-экспериментальной оценки его фазовой стабильности (N_v ≅ N_v^c = 2,4) и когерентности γ, γ′ - фаз(a-a_γ≅ 0,01 ).

Предлагается сплав на основе никеля, содержащий, мас. % : Углерод 0,005-0,12 Бор 0,005-0,015 Хром 10,0-13,0 Кобальт 6,9-7,9 Молибден 0,7-1,3 Вольфрам 6,0-7,0 Алюминий 3,9-4,3 Титан 4,0-4,6 Ниобий 0,6-1,0 Цирконий 0,005-0,05 Иттрий 0,005-0,03 Никель Основа
При этом сплав с содержанием углерода 0,005-0,05 мас.% рекомендуется использовать только для литых турбинных лопаток с ориентированной структурой, которые изготовляются методом направленной кристаллизации, в то время как сплав с содержанием углерода 0,06-0,12 мас.% следует использовать при изготовлении лопаток обычным точным литьем в вакууме.

В ЦНИИ КМ "Прометей" в вакуумных индукционных печах с использованием чистых шихтовых материалов была проведена выплавка нового и известного сплавов, а также исследованы их механические свойства и стойкость против высокотемпературной коррозии. Химические составы заявляемого и известного сплавов приведены в табл.1, механические свойства и данные о коррозионной стойкости - в табл.2. Как показывают эти результаты, предлагаемый сплав имеет более высокую коррозионную стойкость и уровень, механических свойств и длительной прочности по сравнению с прототипом.

Использование: энергетическое машиностроение, авиастроение, судостроение. Сплав имеет следующий состав, мас.%: углерод 0,005 - 0,12; бор 0,005 - 0,015; хром 10,0 - 13,0; кобальт 6,9 - 7,9; молибден 0,7 - 1,3; вольфрам 6,0 - 7,0; алюминий 3,9 - 4,3; титан 4,0 - 4,6; ниобий 0,6 - 1,0; цирконий 0,005 - 0,05; иттрий 0,005 - 0,03; никель - основа. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. ЛИТЕЙНЫЙ ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ на основе никеля, включающий хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, титан, углерод, бор и цирконий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит ниобий и иттрий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод 0,005 - 0,12
Бор 0,005 - 0,015
Хром 10,0 - 13,0
Кобальт 6,9 - 7,9
Молибден 0,7 - 1,3
Вольфрам 6,0 - 7,0
Алюминий 3,9 - 4,3
Титан 4,0 - 4,6
Ниобий 0,6 - 1,0
Цирконий 0,005 - 0,05
Иттрий 0,005 - 0,03
Никель Остальное
2. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он содержит 0,005 - 0,05 мас.% углерода и имеет ориентированную структуру, полученную методом направленной кристаллизации.