ЛИТЕЙНЫЙ ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ Российский патент 1998 года по МПК C22C19/03 C22C19/05 

Изобретение относится к металлургии, в частности к сплавам на основе никеля, используемым для наплавки на детали, работающие в жестких условиях при высокотемпературной фреттинг-коррозии и сульфидной коррозии, например на контактные поверхности рабочих и сопловых лопаток стационарных газовых турбин газотурбинных установок (ГТУ).

Известно, что никелевые жаропрочные коррозионно-стойкие сплавы содержат в своем составе 11 - 16 важных составляющих элементов в тщательно контролируемых количествах, которые при различном их сочетании придают сплавам самые разнообразные свойства. Длительная работоспособность сплава определяется в первую очередь его химическим составом и связана с устойчивостью и стабильностью его фазовых составляющих γ-фазы, γ′-фазы и карбидов, которые придают деталям их этих сплавов важные технологические свойства - твердость, высокую жаропрочность и термическую стойкость от окисления при высоких температурах.

Известен литейный сплав на основе никеля (авт. св. СССР N 809902, кл. C 22 C 19/05, 1979), содержащий хром, молибден, вольфрам, титан, алюминий, кобальт, бор, цирконий, церий, иттрий, ниобий, тантал и барий, применяемый для отливки лопаток газотурбинных двигателей (ГТД), работающих в условиях высоких температур при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Хром - 15 - 17
Молибден - 1,5 - 3
Вольфрам - 3,5 - 5
Титан - 5 - 6
Алюминий - 2,5 - 3,5
Кобальт - 12 - 16
Бор - 0,02 - 0,05
Цирконий - 0,01 - 0,3
Церий - 0,02 - 0,1
Иттрий - 0,05 - 0,3
Ниобий - 0,5 - 2,5
Тантал - 0,05 - 1,5
Барий - 0,01 - 0,3
Никель - Остальное
Сплав обладает повышенной длительной прочностью и жаростойкостью до 900^oC. Однако он имеет низкую стойкость наплавленного металла против образования горячих трещин, пониженную исходную твердость и фреттингостойкость контактных поверхностей бандажных полок лопаток турбины ГТД.

Наиболее близким к предлагаемому является литейный жаропрочный никелевый сплав марки ХН 58 КВТЮМБЛ-ВИ (ЧС70 - ВИ) вакуумной выплавки согласно ТУ 14-1-3658-83, содержащий углерод, хром, кобальт, молибден, вольфрам, алюминий, титан, иттрий, бор, цирконий, ниобий, серу, фосфор, марганец, кремний, железо, медь, азот, висмут, свинец, сурьму и мышьяк при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,06 - 0,12
Хром - 15,0 - 16,7
Кобальт - 10,0 - 11,5
Молибден - 1,5 - 2,5
Вольфрам - 4,5 - 6,0
Алюминий - 2,4 - 3,2
Титан - 4,2 - 5,0
Иттрий - 0,05
Бор - 0,2
Цирконий - 0,05
Ниобий - 0,1 - 0,3
Сера - 0,008
Фосфор - 0,008
Марганец - 0,30
Кремний - 0,30
Железо - 0,5
Медь - 0,07
Азот - 0,01
Висмут - 0,00005
Свинец - 0,001
Сурьма - 0,0005
Мышьяк - 0,0005
Никель - Остальное
Из данного сплава по выплавляемым моделям вакуумным способом отливают лопатки турбины для наземных ГТД, которые имеют высокие эксплуатационные свойства, в частности высокую стойкость к сульфидной коррозии и термическую стойкость от окисления при высоких температурах.

Однако в процессе длительной эксплуатации при высоких температурах (свыше 900^oC) на наземных ГТУ, работающих на природном газе в условиях агрессивной сульфидной среды и контактного давления, наблюдается значительный износ контактных поверхностей бандажных полок лопаток ГТД из-за фреттинг-коррозии, что ведет к потере натяга, разбандажированию лопаток и в конечном итоге к преждевременному съему лопаток.

Основная причина преждевременного износа контактных поверхностей заключается в том, что упрочняющая фаза сплава (γ-фазы) практически состоит из Ni (Al, Ti), так как сплав содержит алюминий и титан в соотношении, близком 1: 1. Содержание фазы Ni (Nb), придающей сплаву более высокую стабильность и устойчивость против разупрочнения при высоких температурах, минимальное.

Цель изобретения - повышение исходной твердости сплава при сохранении стойкости к сульфидной коррозии сплава при работе в условиях высоких температур.

Для достижения поставленной цели известный сплав на основе никеля, имеющий в своем составе углерод, хром, кобальт, молибден, вольфрам, алюминий, титан, иттрий, бор, цирконий, ниобий, серу, фосфор, марганец, кремний, железо, медь, азот, висмут, свинец, сурьму и мышьяк, содержит указанные компоненты в следующем соотношении, мас.%:
Углерод - 0,06 - 0,12
Хром - 15,0 - 16,7
Кобальт - 10,0 - 11,5
Молибден - 2,55 - 3,20
Вольфрам - 4,5 - 6,0
Алюминий - 2,4 - 3,2
Титан - 4,2 - 5,0
Иттрий - 0,05
Бор - 0,02
Цирконий - 0,05
Ниобий - 4,2 - 5,0
Сера - 0,008
Фосфор - 0,008
Марганец - 0,30
Кремний - 0,30
Железо - 0,5
Медь - 0,07
Азот - 0,01
Висмут - 0,00005
Свинец - 0,001
Сурьма - 0,0005
Мышьяк - 0,0005
Никель - Остальное
Увеличение процентного содержания ниобия способствует измельчению зерна, повышению термической стойкости, жаропрочности и исходной твердости за счет упрочнения границ зерен, образованию интерметаллидных и карбидных фаз.

Увеличение процентного содержания молибдена способствует повышению стойкости наплавленного металла против образования горячих трещин.

Комплексное легирование предлагаемого сплава ниобием и молибденом в указанных пределах способствует увеличению твердости наплавленного металла как до, так и после термообработки без снижения стойкости к сульфидной коррозии.

Предлагаемый сплав целесообразно выполнять из чистых шихтовых материалов индукционным способом в вакууме с последующей вакуумной разливкой. Заготовку выполняют в виде прутков заливкой в керамические формы, получаемые по выплавляемым моделям. Из заготовок прутков делают пластины для наплавки на контактные поверхности бандажных полок лопаток турбины ГТД.

Предлагаемый сплав был наплавлен на торцы образцов и контактные поверхности бандажных полок рабочих лопаток турбины ГТД, изготовленных из сплава ЧС 70 - ВИ.

Химический состав и сравнительные свойства предложенного и известного сплавов, а также серийных лопаток с опытными сплавами приведены в табл. 1, 2 и 3.

В табл. 1 приведены химические составы плавок разработанного сплава (составы 1, 2, 3) с различным содержанием легирующих элементов в пределах предлагаемого состава. В табл. 2 приведены свойства сплавов после литья и свойства наплавленного металла до и после термообработки. В табл. 3 приведены свойства наплавленного металла опытными сплавами (составы 1, 2 - табл. 1) на контактные поверхности бандажных полок серийных лопаток.

Увеличение содержания ниобия за пределы интервала легирования практически не приводит к повышению твердости, а уменьшение - к снижению твердости исходного и наплавленного металла (составы 5, 4 - табл. 1).

Увеличение содержания молибдена за пределы легирования (состав 5 - табл. 1) приводит к повышению сульфидной коррозии как по наплавленному, так и по основному металлу, а на ряде образцов - к катастрофическому их разрушению.

Уменьшение содержания молибдена за пределы легирования приводит к снижению стойкости наплавленного металла, к образованию горячих трещин (состав 4 - табл. 1).

Сплавы составов 1, 2, и 3, приведенные в табл. 1, соответствуют предлагаемым интервалам легирования.

Из табл. 2 следует, что преимущество предложенного сплава на основе никеля состоит в более высокой исходной твердости и твердости наплавленного металла в сравнении с прототипом (состав 6, табл. 1) при сохранении уровня стойкости к сульфидной коррозии.

Наплавление на контактные поверхности бандажных полок лопаток ГТД предлагаемого сплава при изготовлении новых и восстановлении ремонтных деталей позволяет увеличить ресурс и надежность эксплуатации газовых турбин, стационарных газотурбинных установок.

Изобретение относится к металлургии, в частности к сплавам на основе никеля, используемым для наплавки на детали, работающие в жестких условиях при высокотемпературной фреттинг-коррозии и сульфидной коррозии, например на контактные поверхности рабочих и сопловых лопаток стационарных газовых турбин газотурбинных установок (ГТУ). Известный сплав на основе никеля, имеющий в своем составе углерод, хром, кобальт, молибден, вольфрам, алюминий, титан, иттрий, бор, цирконий, ниобий, серу, фосфор, марганец, кремний, железо, медь, азот, висмут, свинец, сурьму и мышьяк, содержит указанные компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,06 - 0,12; хром 15,0 - 16,7; кобальт 10,0 - 11,5; молибден 2,55 - 3,20; вольфрам 4,5 - 6,0; алюминий 2,4 - 3,2; титан 4,2 - 5,0; иттрий 0,05; бор 0,02; цирконий 0,05; ниобий 4,2 - 5,0; сера 0,008; фосфор 0,008; марганец 0,30; кремний 0,30; железо 0,5; медь 0,07; азот 0,01; висмут 0,00005; свинец 0,001; сурьма 0,0005; мышьяк 0,0005; никель остальное. Повышается исходная твердость сплава при сохранении стойкости к сульфидной коррозии сплава при работе в условиях высоких температур. 3 табл.

Литейный жаропрочный сплав на основе никеля, включающий углерод, хром, кобальт, молибден, вольфрам, алюминий, титан, иттрий, бор, цирконий, сера, фосфор, ниобий, марганец, кремний, железо, медь, азот, висмут, свинец, сурьма и мышьяк, отличающийся тем, что он содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:
Углерод - 0,06 - 0,12
Хром - 15,0 - 16,7
Кобальт - 10,0 - 11,5
Молибден - 2,55 - 3,20
Вольфрам - 4,5 - 6,0
Алюминий - 2,4 - 3,2
Титан - 4,2 - 5,0
Иттрий - 0,05
Бор - 0,02
Цирконий - 0,05
Ниобий - 4,2 - 5,0
Сера - 0,008
Фосфор - 0,008
Марганец - 0,30
Кремний - 0,30
Железо - 0,5
Медь - 0,07
Азот - 0,01
Висмут - 0,00005
Свинец - 0,001
Сурьма - 0,0005
Мышьяк - 0,0005
Никель - Остальноен