ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ Российский патент 2005 года по МПК C22C19/05 

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии, в частности к металлургии жаропрочных сплавов на основе никеля, предназначенных для тяжелонагруженных деталей, работающих при повышенных температурах в газотурбинных двигателях.

Известен жаропрочный никелевый сплав, предназначенный для деталей газовых турбин, состава (в масс.%):

Углерод - 0,03-0,08

Хром - 13,0-16,0

Кобальт - 8,0-11,0

Молибден - 4,0-6,0

Ниобий - 2,4-3,5

Титан - 2,4-3,0

Алюминий - 2,2-2,8

Бор - ≤0,01

Церий - ≤0,01

Лантан - ≤0,01

(а.с. СССР №274924, С 22 С 19/00, 1970 год)

Недостатком этого сплава для дисков газовых турбин является общий низкий уровень его механических характеристик, который не удовлетворяет современным требованиям, предъявляемым к жаропрочным сплавам нового поколения.

Известен жаропрочный сплав на основе никеля, состава (в масс.%):

Углерод - 0,03-0,10

Хром - 9,0-11,0

Кобальт - 14,0-16,0

Вольфрам - 3,8-5,5

Молибден - 3,1-4,1

Титан - 3,2-4,0

Алюминий - 3,5-4,2

Ниобий - 1,6-2,1

Гафний - 0,2-0,8

Бор - 0,005-0,05

Цирконий - 0,005-0,05

Магний - 0,001-0,05

Никель - остальное

При отношении содержания вольфрама к содержанию молибдена 1,0-1,6 (патент РФ 2009244, С 22 С 19/05, 1992 г.) - прототип.

Недостатком этого сплава является низкая длительная прочность при рабочей температуре 650°С и низкие характеристики надежности, такие как сопротивление малоцикловой усталости (МЦУ) и трещиностойкость (К_i100).

Предлагается сплав на основе никеля, содержащий компоненты в следующем соотношении (в масс.%)

Углерод - 0,02-0,10

Хром - 9,0-11,0

Кобальт - 14,0-16,0

Вольфрам - более 5,5-6,5

Молибден - 3,0-3,8

Титан - 4,0-4,2

Алюминий - 3,4-4,2

Ниобий - 1,5-2,2

Гафний - 0,1-0,2

Бор - 0,005-0,05

Цирконий - 0,001 - не более 0,005

Магний - 0,001-0,05

Никель - остальное

Предлагаемый сплав отличается от прототипа следующим соотношением компонентов (в масс.%)

Углерод - 0,02-0,10

Хром - 9,0-11,0

Кобальт - 14,0-16,0

Вольфрам - более 5,5-6,5

Молибден - 3,0-3,8

Титан - 4,0-4,2

Алюминий - 3,4-4,2

Ниобий - 1,5-2,2

Гафний - 0,1-0,2

Бор - 0,005-0,05

Цирконий - 0,001 - не более 0,005

Магний - 0,001-0,05

Никель - остальное

Технический результат - повышение длительной прочности, сопротивления малоцикловой усталости, трещиностойкости и, как следствие, повышение срока службы изделий из предлагаемого сплава.

Это достигается за счет неожиданного эффекта, когда повышение прочности матрицы сплава в широком интервале температур сопровождается повышением характеристик пластичности, что приводит к повышению надежности сплава.

Появление такого эффекта вызвано одновременным упрочнением тела и границ зерен, равномерным распределением стабильных карбидов в объеме сплава и формированием однородного зерна с извилистыми границами.

Пример

Методом металлургии гранул были изготовлены и опробованы сплавы предлагаемого состава (№1, 2, 3) и состава - прототипа.

Составы сплавов приведены в таблице 1.

Таблица 1 Состав 1Состав 2Состав ЗСостав-прототипУглерод0,020,060,100,07Хром9,010,011,09,8Кобальт14,015,016,014,8Вольфрам5,65,96,54,6Молибден3,03,43,83,9Титан4,04,14,23,7Алюминий3,43,84,24,0Ниобий1,51,92,21,8Гафний0,100,150,200,6Бор0,0050,020,050,025Цирконий0,0010,0020,0040,025Магний0,0010,0250,050,04Никельостальноеостальноеостальноеостальное

Механические свойства при 20°С и при рабочей температуре 650°С предлагаемого сплава и сплава-прототипа определены по стандартным методикам испытания и представлены в таблице 2.

Таблица 2 20°С650°СПредел прочности σ_BПредел текучести σ_0,2Относительн. Удлинение δДлител. Прочность σ₁₀₀Малоцикл. Усталость σ_N=10⁴Трещино-стойкостьK_i100МПа%МПаМПа·м^1/2Состав 115301176141078110059,2Состав 215531181141097111760,0Состав 215671204151097107859,8Прототип149011301098098049,3

Из таблицы 2 видно, что сплав предлагаемого состава превосходит прототип по пределу прочности более чем на 40 МПа, а по пределу текучести более чем на 50 МПа при более высоком уровне пластичности.

Кроме того, предлагаемый сплав при рабочей температуре 650° имеет более высокий уровень длительной прочности и сопротивления малоцикловой усталости, выше на 100 МПа, при значительно более высокой трещиностойкости (к_i100 выше на 10 МПа·м^1/2).

Таким образом, применение предлагаемого сплава для изготовления дисков газотурбинных двигателей нового поколения позволит повысить ресурс работы двигателя в 1,5-2 раза.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным сплавам на основе никеля, предназначенным для тяжелонагруженных деталей, работающих при повышенных температурах в газотурбинных двигателях. Предложен жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, алюминий, ниобий, гафний, бор, цирконий и магний, при этом он содержит компоненты при следующем соотношении, масс.%: углерод 0,02-0,10, хром 9,0-11,0, кобальт 14,0-16,0, вольфрам более 5,5-6,5, молибден 3,0-3,8, титан 4,0-4,2, алюминий 3,4-4,2, ниобий 1,5-2,2, гафний 0,1-0,2, бор 0,005-0,05, цирконий 0,001-не более 0,005, магний 0,001-0,05, никель остальное. Технический результат - повышение длительной прочности, сопротивления малоцикловой усталости, трещиностойкости и повышение срока службы изделий из предлагаемого сплава. 2 табл.

Жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, алюминий, ниобий, гафний, бор, цирконий и магний, отличающийся тем, что он содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:

Углерод 0,02-0,10

Хром 9,0-11,0

Кобальт 14,0-16,0

Вольфрам Более 5,5-6,5

Молибден 3,0-3,8

Титан 4,0-4,2

Алюминий 3,4-4,2

Ниобий 1,5-2,2

Гафний 0,1-0,2

Бор 0,005-0,05

Цирконий 0,001 Не более 0,005

Магний 0,001-0,05

Никель Остальное