ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ Российский патент 2008 года по МПК C22C19/05 

Изобретение относится к металлургии сплавов, а именно к производству свариваемых никелевых жаропрочных сплавов, используемых для изготовления теплонагруженных деталей, например корпусов газотурбинных двигателей, работающих в условиях высоких температур и напряжений.

Известен жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий следующие компоненты мас.%: хром 8,0-10,0; молибден 3,6-4,3; алюминий 4,3-5,3; ниобий 1,0-2,0; гафний 0,1-0,4; углерод 0,02-0,1; титан 1,5-3,4; вольфрам 5,2-5,9; бор 0,001-0,05; магний 0,001-0,08; цирконий 0,001-0,05; церий 0,001-0,06; никель остальное. См. патент RU 2131943 кл. С22С 19/05, опубл. 20.06.99 Бюл. №17. Это сплав с большим содержанием элементов, образующих упрочняющую γ'-фазу, обладает высокой прочностью при комнатной температуре. Недостатком этого сплава можно считать недостаточно высокие значения длительной прочности при 750°С. Наличие тринадцати компонентов в составе сплава приводит к нестабильности показателей каждой выплавляемой партии. А стабилизация их приводит к значительным технологическим издержкам и, в итоге, приводит к удорожанию производства сплава, к высокой потребительской стоимости и ограничению в применении.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является жаропрочный сплав на основе никеля следующего состава: (мас.%)

хром0-20,0молибден0-8,0алюминий≤3,0кобальт0-20,0ниобий0-4,0гафний0,25-0,3углерод0-0,3никельостальное,

раскрытый в Авторском свидетельстве СССР №451769, С22С 19/00, опубл. 30.11.1974, колонка 1, строки 5-21 - 1 стр. Присутствие в данном сплаве гафния 0,25-0,3 мас.% при наличии дополнительного элемента - кобальта до 20,0 мас.% позволяет повысить его пластичность. Однако данная пластичность проявляется только при эксплуатационном использовании и не проявляется при технологической обработке данного сплава, в частности при сварке. Поэтому для этого сплава невозможно применить сварку, что ведет к уменьшению технологических операций при изготовлении из него изделий. Наличие небольшого количества Al (≤3,0 мас.%) в составе этого сплава делает невозможным использование очень эффективного (в т.ч. и по весовым и стоимостным характеристикам) способа повышения прочности никелевых сплавов за счет формирования в их структуре выделений упрочняющей γ'-фазы, количество которой находится в прямой зависимости от содержания алюминия в никелевом сплаве, что также ограничивает область применения данного сплава.

Задачей предлагаемого изобретения является создание свариваемого жаропрочного сплава на основе никеля, получаемого методом гранульной металлургии, с наименьшим количеством компонентов.

Технический результат заключается в повышении пластичности сплава и снижении технологических издержек при его изготовлении.

Для решения поставленной технической задачи предлагается жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий хром, молибден, алюминий, кобальт, ниобий, гафний, углерод и полученный гранульной металлургией, который имеет следующее соотношение входящих в основу компонентов, мас.%:

хром15,0-16,0молибден7,5-8,5алюминий4,0-5,0кобальт5,0-7,0ниобий2,0-3,1гафний0,3-0,5углерод0,008-0,01никельостальное.

При проведении исследований установлено, что, используя метод гранульной металлургии, который позволяет получить более мелкодисперсную структуру и однородный состав твердого раствора, при предлагаемом соотношении компонентов сплава на основе никеля наличие молибдена 7,5-6,5 мас.% снижает склонность сплава к образованию горячих трещин, при этом наличие гафния 0,3-0,5 мас.% упрочняет γ'-фазу и улучшает адгезию окисной пленки к основному металлу, а также образует стойкие мелкодисперсные карбиды, повышающие пластичность до уровня, обеспечивающего свариваемость сплава с сохранением механических характеристик сварного шва на уровне свойств основного металла.

Сплавы, соответствующие предлагаемому составу и составу прототипа, были выплавлены в вакуумной индукционной печи. Химический состав предлагаемого сплава и сплава прототипа приведены в таблице 1.

Слитки, отлитые в кокиль, механически обрабатывались до устранения «черновин», а затем распылялись на гранулы размером 200-500 мкм в установке УЦР-2.

Для получения компактных заготовок из сплавов гранулы в капсулах из стали Ст20 подвергались горячему изостатическому прессованию в газостате. Механические свойства (предел прочности σ_в ²⁰ и относительное удлинение δ²⁰ при 20°С) полученных заготовок определяли на стандартных цилиндрических образцах при растяжении (ГОСТ 1497-84). Оценку свариваемости сплава проводили технологическим методом на кольцевых пробах (ГОСТ 26389-84 «Методы испытаний на сопротивляемость образованию горячих трещин при сварке плавлением»). Свойства предлагаемого сплава (№№I, II, III) и сплава прототипа приведены в таблице 2.

При сравнении полученных результатов видно, что предлагаемый сплав обладает хорошей свариваемостью и более высоким уровнем прочности

Таблица 1Составы предлагаемого сплава и сплава-прототипа.№ состава сплаваСодержание элементов, мас.%CrMoAlСоNbHfСNiI15,07,54,05,02,00,30,008ост.II15,58,04,56,02,60,40,009ост.III16,08,55,07,03,10,50,01ост.Прототип10,04,01,810,01,90,250,12ост.

Таблица 2Свойства предлагаемого сплава и сплава-прототипа.Наименование свойствσ_в ²⁰, МПаδ²⁰, %Максимальная протяженность трещины, ммМаксимальное количество трещин в зоне воздействия сварного шва, шт№ состава сплаваI120028,800II126028,000III135026,900Прототип110012,81211

Снижение или увеличение количества входящих в сплав компонентов за предложенные пределы заявленного соотношения компонентов приводит к снижению общего уровня механических свойств или приводит к падению прочности, повышению чувствительности сплава к концентраторам напряжения, либо падению технологических преимуществ, что отражено в таблице 3.

Таблица 3ХромНиже 15% - недостаточный уровень жаростойкостиВыше 16% - опасность выделения в сложнолегированном сплаве самостоятельных фаз на основе Cr, ухудшающих эксплуатационные характеристики, уменьшение температуры солидуса, что приводит к снижению длительной прочностиМолибденНиже 7,5% - недостаточный уровень твердорастворного упрочненияВыше 8,5% - опасность внутреннего окисления при высоких температурах, увеличение плотности сплаваАлюминийНиже 4% - недостаточный уровень прочностиВыше 5% - горячее растрескивание при сварке из-за образования легкоплавких эвтектик с Ni по границам зеренКобальтНиже 5% - недостаточный уровень технологической пластичности вышеВыше 7% - неэффективно из-за высокой стоимостиНиобийНиже 2% - недостаточное упрочнение γ'-фазы и карбидообразованиеВыше 3,1% - выделение фазы Ni₃Nb пластичной морфологии, массивное выделение карбидов по границам зерен, что приводит к существенному охрупчиванию сплаваГафнийНиже 0,3% - недостаточно для связывания углерода в карбиды и предотвращение его сегрегации на поверхности гранулВыше 0,5 - неэффективно из-за высокой стоимостиУглеродНиже 0,008% - недостаточный уровень карбидного упрочнения, существенное удорожание технологического процесса из-за операции обезуглероживанияВыше 0,01% - сегрегация углерода на поверхности гранул, приводящая к существенному снижению прочностных характеристик

Таким образом, удалось получить свариваемый жаропрочный сплав на основе никеля, получаемый методом гранульной металлургии, с наименьшим количеством компонентов повышенной пластичности при снижении технологических затрат. Использование предлагаемого жаропрочного сплава на основе никеля позволяет создавать газотурбинные двигатели нового поколения.

Изобретение относится к металлургии сплавов, а именно к производству свариваемых никелевых жаропрочных сплавов, используемых для изготовления теплонагруженных деталей, например корпусов газотурбинных двигателей, работающих в условиях высоких температур и напряжений. Для повышения пластичности сплава и снижения технологических издержек при его изготовлении он содержит, мас.%: хром 15,0-16,0; молибден 7,5-8,5; алюминий 4,0-5,0; кобальт 5,0-7,0; ниобий 2,0-3,1; гафний 0,3-0,5; углерод 0,008-0,01, никель - остальное. Сплав получен гранульной металлургией. 3 табл.

Жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий хром, молибден, алюминий, кобальт, ниобий, гафний и углерод, отличающийся тем, что он получен методом гранульной металлургии и содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:

хром15,0-16,0молибден7,5-8,5алюминий4,0-5,0кобальт5,0-7,0ниобий2,0-3,1гафний0,3-0,5углерод0,008-0,01никельостальное