ЖАРОПРОЧНЫЙ ПОРОШКОВЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ Российский патент 2009 года по МПК C22C19/05 

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии, в частности к порошковой 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 (мас. %):

Углерод- 0,02-0,10Хром- 8,0-10,0Вольфрам- 5,2-5,9Молибден- 3,6-4,3Титан- 1,5-3,4Алюминий- 4,3-5,3Ниобий- 1,0-2,0Гафний- 0,1-0,4Бор- 0,001-0,05Цирконий- 0,001-0,05Магний- 0,001-0,08Церий- 0,001-0,06Никель- остальное

(патент РФ 2131943, С22С 19/05, 1999 год).

Недостатком этого сплава являются низкие характеристики прочности, жаропрочности и чувствительность сплава к концентраторам напряжений при рабочих температурах, что существенно снижает ресурс работы изделия.

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

Углерод- 0,02-0,10Хром- 9,0-11,0Кобальт- 14,0-16,0Вольфрам- более 5,5-6,5Молибден- 3,0-3,8Титан- 4,0-4,2Алюминий- 3,4-4,2Ниобий- 1,5-2,2Гафний- 0,1-0,2Бор- 0,005-0,05Цирконий- 0,001 - не более 0,005Магний- 0,001-0,05Никель- остальное

(патент РФ 2257420, С22С 19/05, 2005 год) - прототип.

Недостатком этого сплава являются низкие характеристики прочности (σ_в ^650°С) и ползучести (σ_0,2/100) и высокая скорость распространения усталостной трещины (СРТУ) при рабочих температурах.

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

Углерод- 0,04-0,08Хром- 10,0-12,0Кобальт- 14,0-16,0Вольфрам- 2,5-3,5Молибден- 4,0-5,0Титан- 2,5-3,1Алюминий- 3,5-4,4Ниобий- 3,0-3,5Бор- 0,005-0,05Магний- 0,001-0,05Ванадий- 0,4-0,8Церий- 0,001-0,05Лантан- 0,001-0,08Скандий- 0,001-0,05Железо- 0,01-1,0Марганец- 0,001-0,5Кремний- 0,001-0,5Никель- остальное

Предлагаемый сплав отличается от прототипа тем, что он дополнительно содержит ванадий, церий, лантан, скандий, железо, марганец, кремний при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Углерод- 0,04-0,08Хром- 10,0-12,0Кобальт- 14,0-16,0Вольфрам- 2,5-3,5Молибден- 4,0-5,0Титан- 2,5-3,1Алюминий- 3,5-4,4Ниобий- 3,0-3,5Бор- 0,005-0,05Магний- 0,001-0,05Ванадий- 0,4-0,8Церий- 0,001-0,05Лантан- 0,001-0,08Скандий- 0,001-0,05Железо- 0,01-1,0Марганец- 0,001-0,5Кремний- 0,001-0,5Никель- остальное

Технический результат - повышение характеристик прочности, ползучести и снижение скорости распространения усталостной трещины при рабочих температурах и, как следствие, повышение ресурса работы и надежности изделия из предлагаемого сплава.

Это достигается тем, что предлагаемый состав порошкового сплава обеспечивает одновременное увеличение прочности границ и тела зерна за счет карбидного упрочнения, упрочнения γ-матрицы и выделений γ'-фазы, а также позволяет исключить образование внутренних пор в процессе распыления порошка и, в результате, прессовать из него плотные беспористые заготовки, что повышает прочностные характеристики и характеристики ползучести сплава и снижает скорость распространения усталостной трещины.

Пример

Методом порошковой металлургии был изготовлен и опробован сплав предлагаемого состава, мас. %:

Углерод- 0,06Хром- 11,0Кобальт- 15,0Вольфрам- 3,0Молибден- 4,5Титан- 2,8Алюминий- 4,0Ниобий- 3,2Бор- 0,015Магний- 0,02Ванадий- 0,6Церий- 0,01Лантан- 0,02Скандий- 0,01Железо- 0,5Марганец- 0,3Кремний- 0,2Никель- остальное

Также был получен сплав по составу-прототипу.

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

Таблица650°С Предел прочности
σ_BПредел текучести
σ_0,2Относительное удлинение
δОтносительное сужение
ψПредел ползучести
σ_0,2/100Длительная прочность
σ₁₀₀СРТУ
ΔК=
44 МРа·м^0,5МПа%МПамм/циклпредлагаемый1590118912,616,397311401,5·10^-4прототип142010887,57,883010978,2·10^-4

Таким образом, сплав предлагаемого состава позволяет при повышенной температуре повысить предел прочности на 10-12%, предел текучести на 8-10%, предел ползучести на 15-18% и предел длительной прочности на 4-6%. При этом предлагаемый сплав имеет скорость распространения усталостной трещины в 5-6 раз меньше, чем у прототипа.

В результате этого применение предлагаемого сплава для изготовления валов, дисков и других деталей газотурбинных двигателей позволит повысить их ресурс в 1,6 раза и снизить вес двигателя в 1,2 раза.

Изобретение относится к области металлургии. Жаропрочный порошковый сплав на основе никеля содержит компоненты в следующем соотношении (мас.%): углерод 0,04-0,08, хром 10,0-12,0, кобальт 14,0-16,0, вольфрам 2,5-3,5, молибден 4,0-5,0, титан 2,5-3,1, алюминий 3,5-4,4, ниобий 3,0-3,5, бор 0,005-0,05, магний 0,001-0,05, ванадий 0,4-0,8, церий 0,001-0,05, лантан 0,001-0,08, скандий 0,001-0,05, железо 0,01-1,0, марганец 0,001-0,5, кремний 0,001-0,5, никель - остальное. Изобретение направлено на повышение прочности, ползучести и на снижение скорости распространения усталостной трещины при рабочих температурах изделия из данного сплава. Сплав может быть использован для изготовления деталей газотурбинных двигателей. 1 табл.

Жаропрочный порошковый сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, алюминий, ниобий, бор и магний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит ванадий, церий, лантан, скандий, железо, марганец и кремний при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод0,04-0,08хром10,0-12,0кобальт14,0-16,0вольфрам2,5-3,5молибден4,0-5,0титан2,5-3,1алюминий3,5-4,4ниобий3,0-3,5бор0,005-0,05магний0,001-0,05ванадий0,4-0,8церий0,001-0,05лантан0,001-0,08скандий0,001-0,05железо0,01-1,0марганец0,001-0,5кремний0,001-0,5никельостальное