СОСТАВ ЖАРОПРОЧНОГО НИКЕЛЕВОГО СПЛАВА ДЛЯ МОНОКРИСТАЛЬНОГО ЛИТЬЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2009 года по МПК C22C19/05 

Описание патента на изобретение RU2348724C2

Изобретения относятся к металлургии сплавов, а именно к производству сплавов на основе никеля, используемых для деталей с монокристаллической структурой, например лопаток турбин, работающих при высоких температурах.

Известен никелевый жаропрочный сплав для монокристального литья CMSX-2 содержащий (мас.%): хром - 8,0, кобальт 5,0, алюминий 5,6, вольфрам - 8,0, молибден - 0,6, тантал - 6,0, титан - 1,0, никель - остальное до 100%. («Труды международной научно-технической конференции 25-26 апреля 2006 г. М.: ВИАМ, 2006 г., с.43, табл.1) - аналог.

Недостатком данного решения является низкая жаропрочность, например, предел длительной прочности сплава σ1001000=214 МПа (Сборник «Литейные жаропрочные сплавы» под ред Каблова Е.Н. М.: Наука, 2006 г., с.74, табл.9).

Известен никелевый жаропрочный сплав ЖС-40, содержащий хром - 6,0, алюминий - 5,0-5,8, вольфрам - 6,0-7,8, тантал - 6,0-7,8, молибден - 3,5-4,8, кобальт - 5,0, ниобий - 0,05-0,50, никель - остальное до 100% («Литые лопатки газотурбинных двигателей». М., МИСИС, 2001 г., с.53, табл.2.3) - прототип.

Недостатком известного монокристального сплава с ориентацией [001] предназначенного для изготовления высоконагруженных деталей, например лопаток газовых турбин, работающих при температуре до 1000°С, также является недостаточная для заявляемой области применения жаропрочность (σ1001000≈240 МПа).

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является повышение жаропрочности никелевых сплавов для монокристального литья, например лопаток газотурбинных двигателей.

Заявляемый технический результат достигается тем, что никелевый жаропрочный сплав содержит хром, алюминий, вольфрам, тантал, кобальт, иттрий, церий, лантан и никель в следующем соотношении компонентов (мас.%):

хром - 0,5-4,0

алюминий - 4,0-7,0

вольфрам - 12,0-16,0

тантал - 3,0-12,0

кобальт - 4,0-9,0

иттрий - 0,003-0,1

лантан - 0,001-0,1

церий - 0,003-0,1

никель - остальное до 100%.

Известен никелевый жаропрочный сплав для монокристального литья CMSX-2, содержащий (мас.%): хром - 8,0, кобальт - 5,0, алюминий - 5,6, вольфрам - 8,0, молибден - 0,6, тантал - 6,0, титан - 1,0, никель - остальное до 100%. («Труды международной научно-технической конференции 25-26 апреля 2006 г. М.: ВИАМ, 2006 г., с.43, табл.1) - аналог.

Недостатком данного решения является низкая жаропрочность, например, предел длительной прочности сплава σ1001000=214 МПа. (Сборник «Литейные жаропрочные сплавы» под ред Каблова Е.Н. М.: Наука, 2006 г., с.74, табл.9).

Известен никелевый жаропрочный сплав ЖС-40, содержащий хром - 6,0, алюминий - 5,0-5,8, вольфрам - 6,0-7,8, тантал - 6,0-7,8, молибден - 3,5-4,8, кобальт - 5,0, ниобий - 0,05-0,50, никель - остальное до 100% («Литые лопатки газотурбинных двигателей». М., МИСИС, 2001 г., с.53, табл.2.3.) - прототип.

Недостатком известного монокристального сплава с ориентацией [001], предназначенного для изготовления высоконагруженных деталей, например лопаток газовых турбин, работающих при температуре до 1000°С, является недостаточная коррозионная стойкость, технологическая пластичность, а также недостаточная для заявляемой области применения жаропрочность (σ1001000≈240 МПа).

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является повышение жаропрочности никелевых сплавов для монокристального литья, например лопаток газотурбинных двигателей, улучшение литейных свойств сплава, его технологической пластичности и повышение коррозионной стойкости заявляемого сплава.

Указанный технический результат достигается тем, что никелевый жаропрочный сплав содержащий хром, алюминий, титан, молибден, вольфрам, тантал, кобальт, ниобий, иттрий, лантан, церий и никель, дополнительно содержит углерод, при следующем соотношении компонентов (мас.%):

хром - 0,5-4,0

алюминий - 4,0-7,0

титан ≤2,0

молибден ≤4,0

вольфрам - 12,0-16,0

тантал - 3,0-12,0

кобальт 4,0-9,0

ниобий ≤2,0

иттрий - 0,003-0,1

лантан - 0,001-0,1

церий - 0,003-0,1

углерод ≤0,1

никель - остальное до 100%.

Как известно, успехи в разработке высокожаропрочных никелевых сплавов последних поколений в значительной мере связаны с легированием сплавов большим количеством рения, например 9,3 мас.% в сплаве ЖС-47, и/или рутения, например, 6 мас.% в сплаве TMS-162 (Е.Н.Каблов, Н.В.Петрушин «Современные литые никелевые жаропрочные сплавы», Сборник трудов Международной технической конференции. М.: ВИАМ, 2006 г., с.43). Однако в связи с тем, что рений и особенно рутений являются очень дорогими и дефицитными металлами, возникает вопрос о том, полностью ли исчерпаны возможности улучшения жаропрочных сплавов, в том числе и никелевых, путем их легирования традиционными, менее дорогими и более доступными элементами, например, такими как вольфрам, тантал и другими.

Авторами проведен анализ системы легирования жаропрочных никелевых сплавов с точки зрения значений энергии связи (энергии когезии) легирующих элементов. Рассматривая энергию связи элементов фундаментальным параметром, определяющим уровень механических свойств и эксплуатационных характеристик материала, установлено распределение легирующих элементов жаропрочных сплавов по значениям энергии связи для обобщенной системы легирования никелевых жаропрочных сплавов: Ni, Со, Cr, V, Ti, Al, Ru, Mo, Nb, Zr, Hf, Та, W, Re, Os, Ir.

Полученная диаграмма распределения легирующих элементов по значениями энергии связи (энергии когезии) приведена на чертеже.

При анализе приведенных на диаграмме данных будем предполагать, что вклад в энергию связи сплава конкретного легирующего элемента, например тантала, прямо пропорционален величине его собственной энергии связи и содержанию данного элемента в сплаве в атомных процентах. При этом обязательно наличие в сплаве основного γ'-образующего элемента - алюминия, причем его содержание позволяет обеспечивать образование необходимого количества упрочняющей γ'-фазы, выделяющейся при распаде пересыщенного твердого раствора.

С учетом вышеизложенного, базовой системой никелевых жаропрочных сплавов будем считать Ni-Al с возможностью замещения некоторого количества алюминия титаном.

Результаты, представленные на диаграмме, показывают, что первым элементом, способствующим наибольшему повышению энергии связи никеля, следует считать вольфрам. Поэтому базовая система никелевых жаропрочных сплавов в первую очередь должна содержать вольфрам, причем его количество целесообразно держать на максимально возможном высоком уровне, когда его предельное содержание ограничено величиной растворимости вольфрама в никелевом сплаве. При этом следует иметь в виду, что замена вольфрами танатлом или рением нецелесообразна, так как когезивная прочность сплава при такой замене повышаться не будет.

Следующий элемент для легирования никелевых жаропрочных сплавов - тантал. Тантал целесообразно вводить в жаропрочные сплавы на фоне высокого содержания вольфрама, контролируя возможность выделения в сплаве Та-содержащих промежуточных фаз.

Использование принципа многокомпонентного легирования в данном случае целесообразно потому, что это позволяет увеличить в жаропрочных сплавах суммарное содержание легирующих элементов с высокой когезивной прочностью, обеспечивая максимальное упрочнение всего сплава.

При анализе диаграммы, представленной на чертеже, обращает на себя внимание следующее: обязательный компонент последних модификаций жаропрочных сплавов - рутений, почти аналогичен молибдену. Среди γ'-образующих элементов, которые могут способствовать повышению когезивной прочности жаропрочных сплавов, кроме уже рассмотренного тантала, следует отметить титан и ниобий.

На основе вышеизложенного авторами были разработаны заявляемые сплавы.

Особенностью заявляемого сплава по первому варианту (КС-1) является высокое содержание вольфрама в пределах от 12,0 до 16,0 мас.%. Верхний предел содержания вольфрама ограничивает область концентраций, при выходе за которую возрастает вероятность выделения вольфрама из твердого раствора в виде α-фазы, которая не является таким эффективным упрочнителем, как γ'-фаза на основе Ni3Al, а при содержании вольфрама ниже 12 мас.% его стабилизирующее воздействие на структуру и благоприятное влияние на жаропрочность ослабляется.

Заявляемое количество тантала вводится в состав никелевого жаропрочного сплава на фоне высокого содержания вольфрама. Система легирования заявляемого сплава (КС-1) сбалансирована таким образом, чтобы в сплаве не происходило выделения α-фазы несмотря на то, что тантал так же, как и вольфрам имеет ОЦК решетку. Влияние тантала на свойства заявляемого сплава во многом сходно с влиянием вольфрама, тантал также характеризуется высокой когезивной прочностью, что характерно и для заявляемого в заданном соотношении компонентов сплава. Тантал распределяется между γ-матрицей и упрочняющей γ'-фазой, стабилизируя и упрочняя обе основные фазы жаропрочного сплава. При содержании тантала больше 10 мас.% возрастает вероятность его выпадения из твердого раствора в виде интерметаллидов Ni-Ta, а при содержании - меньше 5 мас.% его воздействие на свойства заметно снижается.

Введение в заявляемый состав жаропрочного сплава заявляемого количества хрома обусловлено необходимостью повышения его жаростойкости. При увеличении содержания хрома выше 4 мас.% возрастает вероятность образования топологически-плотноупакованной (ТПУ) фазы на основе хрома, которая охрупчивает сплав.

Легирование сплава кобальтом в заявляемых количествах обусловлено необходимостью улучшения технологических характеристик сплава - технологической пластичности и литейных свойств, а также стойкости к коррозии.

Система микролегирующих добавок, а именно совместное использование лантана, иттрия и церия в заявляемых количествах, обеспечивает стабилизацию структурных дефектов в монокристаллах заявляемого сплава, а совместно с остальными компонентами состава сплава обеспечивает повышение жаропрочности по сравнению с прототипом.

Особенностью заявляемого сплава по второму варианту является аналогичность влияния вольфрама, тантала, кобальта и системы микролегирующих добавок (иттрий, лантан и церий), но кроме этого на свойства заявляемого сплава по второму варианту влияет наличие в его составе титана, молибдена, ниобия и углерода.

Алюминий и титан - это основные γ' образующие элементы, количество которых, с одной стороны, обеспечивает образование необходимого содержания упрочняющей γ'-фазы, а с другой стороны, ограничивает объем избыточной эвтектики (γ'+γ) и способствует повышению коррозионной стойкости сплава.

Ниобий и молибден обеспечивают повышение долговечности материала в области температур ≈1000°С. Углерод вводится в состав сплава для образования второй упрочняющей фазы жаропрочных сплавов - карбидов. Суммарное содержание в заявляемом сплаве углерода и карбидообразующих элементов обеспечивает отсутствие охрупчивающих ТПУ фаз.

Заявляемый состав жаропрочного никелевого сплава по второму варианту в количественном и качественном составе обеспечивает наряду с повышением жаропрочности, улучшением литейных свойств сплава и его технологической пластичности и повышение коррозионной стойкости.

Примеры конкретного выполнения.

Для апробации результатов были отлиты сплавы по первому и второму вариантам. Отливка сплавов осуществлялась в вакуумно-индукционной печи «Кристалл» емкостью 5-10 кг. Порядок введения компонентов заявляемых составов сплавов является стандартным: никель, хром, кобальт, вольфрам, молибден, тантал, углерод, плавление, раскисление углеродом, последующее введение титана, алюминия и микролегирующих добавок (элементы с высокой активностью к кислороду) и разливка.

Для апробации сплава по первому варианту были выплавлены два состава сплава (один заявляемый и один сплав-прототип - ЖС-40), содержащих компоненты (в мас.%), приведенные в Таблице 1.

Монокристальная структура, ориентация оси роста [001].

Таблица 1.№ п/пКомпоненты состава сплавовCrAlWТаСоYLaСеNiЗаявляемый сплав3,35,1916,06,36,00,020,020,02Ост.ЖС-406,05,46,56,55,0Nb-0,3Mo-4,0-Ост.

После чего литые образцы, подвергнутые высокотемпературной газостатической обработке (заявляемый сплав) и термической обработке, испытывались.

Результаты испытаний.

Сплав ЖС-40 (прототип):

Т=900°С, σ100=440 МПа, σ500=350 МПа,

Т=1000°С, σ100=240 МПа, σ500=190 МПа (Сборник «Литейные жаропрочные сплавы» под ред. Каблова Е.Н. М.: Наука, 2006 г., с.54, табл.2.4).

Заявляемый сплав.

Т=900°С, σ100=467 МПа, σ500=371 МПа,

Т=1000°С, σ100=255 МПа, σ500=201 МПа

Для апробации сплава по второму варианту были выплавлены два состава сплава (один заявляемый и один сплав-прототип - ЖС-40), содержащих компоненты (в мас.%), приведенные в Таблице 2.

№ п/пКомпоненты состава сплавовCrAlWТаСоYLaССеTiMoNbNiЗаявляемый сплав2,35,216,56,74,90,020,020,0170,020,50,10,3Ост.ЖС-406,05,46,56,55,0Nb-0,3----4,20,4Ост.

После чего литые образцы, подвергнутые высокотемпературной газостатической обработке (заявляемый сплав) и термической обработке, испытывались.

Результаты испытаний.

Сплав ЖС-40 (прототип):

Т=900°С, σ100=440 МПа, σ500=350 МПа,

Т=1000°С, σ100=240 МПа, σ500=190 МПа

Заявляемый сплав.

Т=900°С, σ100=471 МПа, σ500=379 МПа,

Т=1000°С, σ100=252 МПа, σ500=200 МПа.

Введение дополнительных легирующих элементов в заявляемый сплав по второму варианту приводит к уменьшению литейной пористости в междендритных областях сплава: объемная доля пор уменьшается на 20-30% по сравнению с прототипом. Известно, что на литейных порах может происходить образование микротрещин, способных превращаться в магистральные трещины при разрушении деталей.

Приведенные результаты испытаний показывают, что по сравнению с прототипом заявляемые сплавы по первому и второму вариантам обеспечивают достижение заявленного технического результата.

Похожие патенты RU2348724C2

название год авторы номер документа
СОСТАВ ЖАРОПРОЧНОГО НИКЕЛЕВОГО СПЛАВА ДЛЯ МОНОКРИСТАЛЬНОГО ЛИТЬЯ (ВАРИАНТЫ) 2007
  • Елисеев Юрий Сергеевич
  • Поклад Валерий Александрович
  • Оспенникова Ольга Геннадиевна
  • Ларионов Валентин Николаевич
  • Логунов Александр Вячеславович
  • Разумовский Игорь Михайлович
RU2348725C2
СОСТАВ ЖАРОПРОЧНОГО НИКЕЛЕВОГО СПЛАВА (ВАРИАНТЫ) 2007
  • Елисеев Юрий Сергеевич
  • Поклад Валерий Александрович
  • Оспенникова Ольга Геннадиевна
  • Ларионов Валентин Николаевич
  • Логунов Александр Вячеславович
  • Разумовский Игорь Михайлович
RU2353691C2
СПОСОБ ОБРАБОТКИ ОТЛИВОК ИЗ ЖАРОПРОЧНОГО НИКЕЛЕВОГО СПЛАВА ДЛЯ МОНОКРИСТАЛЬНОГО ЛИТЬЯ 2007
  • Елисеев Юрий Сергеевич
  • Поклад Валерий Александрович
  • Оспенникова Ольга Геннадиевна
  • Ларионов Валентин Николаевич
  • Логунов Александр Вячеславович
  • Разумовский Игорь Михайлович
  • Разумовский Всеволод Игоревич
RU2361011C1
СПОСОБ ОБРАБОТКИ ОТЛИВОК ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ МОНОКРИСТАЛЬНОГО ЛИТЬЯ 2007
  • Елисеев Юрий Сергеевич
  • Поклад Валерий Александрович
  • Оспенникова Ольга Геннадиевна
  • Ларионов Валентин Николаевич
  • Логунов Александр Вячеславович
  • Разумовский Игорь Михайлович
  • Разумовский Всеволод Игоревич
RU2361012C1
Литейный жаропрочный никелевый сплав с монокристальной структурой 2021
  • Данилов Денис Викторович
  • Зубарев Геннадий Иванович
  • Кузьмин Максим Владимирович
  • Лещенко Игорь Алексеевич
  • Логунов Александр Вячеславович
  • Марчуков Евгений Ювенальевич
RU2768946C1
НИКЕЛЕВЫЙ ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ ДЛЯ МОНОКРИСТАЛЬНОГО ЛИТЬЯ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ ЭТОГО СПЛАВА 2000
  • Толораия В.Н.
  • Орехов Н.Г.
  • Каблов Е.Н.
  • Чубарова Е.Н.
RU2186144C1
ЖАРОПРОЧНЫЙ ЛИТЕЙНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ 2010
  • Логунов Александр Вячеславович
  • Кузменко Михаил Леонидович
  • Шмотин Юрий Николаевич
  • Гришихин Сергей Александрович
RU2439185C1
ЛИТЕЙНЫЙ ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ 2015
  • Шмотин Юрий Николаевич
  • Логунов Александр Вячеславович
  • Лещенко Игорь Алексеевич
  • Заводов Сергей Александрович
  • Данилов Денис Викторович
  • Хрящев Илья Игоревич
  • Михайлов Александр Михайлович
  • Михайлов Михаил Александрович
  • Семин Александр Евгеньевич
RU2626118C2
СОСТАВ ЛИТЕЙНОГО ЖАРОПРОЧНОГО СПЛАВА НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ 2006
  • Елисеев Юрий Сергеевич
  • Поклад Валерий Александрович
  • Оспенникова Ольга Геннадиевна
  • Ларионов Валентин Николаевич
  • Логунов Александр Вячеславович
  • Разумовский Игорь Михайлович
  • Гаврилюк Виктор Васильевич
RU2344190C2
ЖАРОПРОЧНЫЙ ЛИТЕЙНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО 2008
  • Каблов Евгений Николаевич
  • Сидоров Виктор Васильевич
  • Петрушин Николай Васильевич
  • Герасимов Виктор Владимирович
  • Толораия Владимир Николаевич
  • Орехов Николай Григорьевич
RU2365656C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 348 724 C2

Реферат патента 2009 года СОСТАВ ЖАРОПРОЧНОГО НИКЕЛЕВОГО СПЛАВА ДЛЯ МОНОКРИСТАЛЬНОГО ЛИТЬЯ (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к металлургии сплавов, а именно к производству сплавов на основе никеля, используемых для деталей с монокристаллической структурой, например лопаток турбин, работающих при высоких температурах. Сплав по первому варианту содержит, мас.%: хром - 0,5-4,0, алюминий - 4,0-7,0, вольфрам - 12,0-16,0, тантал - 3,0-12,0, кобальт - 4,0-9,0, иттрий - 0,003-0,1, лантан - 0,001-0,1, церий - 0,003-0,1, никель - остальное и характеризуется высокой жаропрочностью. Для повышения жаропрочности, улучшения литейных свойств, технологической пластичности и повышения коррозионной стойкости сплав по второму варианту содержит, мас.%: хром - 0,5-4,0, алюминий - 4,0-7,0, титан ≤2,0, молибден ≤4,0, вольфрам - 12,0-16,0, тантал - 3,0-12,0, кобальт 4,0-9,0, ниобий ≤2,0, иттрий - 0,003-0,1, лантан - 0,001-0,1, церий - 0,003-0,1, углерод ≤0,1, никель - остальное. 2 н.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

Формула изобретения RU 2 348 724 C2

1. Состав жаропрочного никелевого сплава для монокристального литья, содержащий никель, хром, кобальт, вольфрам, алюминий и тантал, отличающийся тем, что он дополнительно содержит иттрий, лантан и церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

хром0,5-4,0алюминий4,0-7,0вольфрам12,0-16,0тантал3,0-12,0кобальт4,0-9,0иттрий0,003-0,1лантан0,001-0,1церий0,003-0,1никельостальное

2. Состав жаропрочного никелевого сплава для монокристального литья, содержащий никель, хром, кобальт, вольфрам, алюминий, тантал, ниобий и молибден, отличающийся тем, что он дополнительно содержит иттрий, лантан, церий, титан и углерод при следующем соотношении компонентов, мас.%:

хром0,5-4,0алюминий4,0-7,0титан≤2,0молибден≤4,0вольфрам12,0-16,0тантал3,0-12,0кобальт4,0-9,0ниобий≤2,0иттрий0,003-0,1лантан0,001-0,1церий0,003-0,1углерод≤0,1никельостальное

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2009 года RU2348724C2

US 6007645 А, 28.12.1999
МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ 1988
  • Шапин Р.Е.
  • Кишкин С.Т.
  • Качанов Е.Б.
  • Сидоров В.В.
  • Орехов Н.Г.
  • Глезер Г.М.
  • Кулешова Е.А.
  • Морозова С.Г.
  • Астафьева Е.В.
  • Хацинская И.М.
  • Никольская В.Л.
  • Голубовский Е.Р.
  • Хвацкий К.К.
  • Толорайя В.Н.
  • Панкратов В.А.
  • Зуев Г.И.
  • Ларионов В.Н.
  • Герасимов В.В.
  • Денисов А.Я.
  • Миронов С.О.
RU1513934C
ЖАРОПРОЧНЫЙ ЛИТЕЙНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ 2002
  • Голованов В.И.
  • Зубарев Г.И.
  • Качанов Е.Б.
  • Логунов А.В.
  • Разумовский И.М.
  • Хованов А.Н.
  • Чепкин В.М.
RU2219272C1
МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ 1991
  • Кишкин С.Т.
  • Качанов Е.Б.
  • Кулешова Е.А.
  • Орехов Н.Г.
  • Панкратов В.А.
  • Сидоров В.В.
  • Герасимов В.В.
  • Телис Б.М.
  • Ларионов В.Н.
  • Денисов А.Я.
  • Фоменко В.П.
  • Голубовский Е.Р.
  • Ващекина И.В.
  • Башашкина Е.В.
  • Ригин В.Е.
SU1827121A3
US 6419763 A, 16.07.2002
Способ восстановления хромовой кислоты, в частности для получения хромовых квасцов 1921
  • Ланговой С.П.
  • Рейзнек А.Р.
SU7A1
КОЛАЧЕВ Б.А
и др
Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов
- М.: МИСИС, 2005, с.337.

RU 2 348 724 C2

Авторы

Елисеев Юрий Сергеевич

Поклад Валерий Александрович

Оспенникова Ольга Геннадиевна

Ларионов Валентин Николаевич

Логунов Александр Вячеславович

Разумовский Игорь Михайлович

Даты

2009-03-10Публикация

2007-03-07Подача