ЖАРОПРОЧНЫЙ ДЕФОРМИРУЕМЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ ЭТОГО СПЛАВА Российский патент 2009 года по МПК C22C19/05 

Изобретение относится к области металлургии жаропрочных деформируемых сплавов на основе никеля и изделий, выполненных из этих сплавов для авиационной техники, машиностроения и других отраслей народного хозяйства, и может быть использовано для изготовления дисков турбин газотурбинных двигателей и других узлов и деталей, работающих при температурах до 800°С во всеклиматических условиях.

Сплавы представляют собой многокомпонентные системы на основе никеля, упрочняемые ~50% γ′-фазы - интерметаллида Ni₃ (Al, Ti, Nb), карбидами и боридами.

Основными требованиями, предъявляемыми к этому классу материалов, являются: высокий уровень прочностных характеристик в интервале рабочих температур при кратковременных, длительных и циклических испытаниях, высокая коррозионная стойкость. Это обеспечивает надежную работу изделий из предлагаемых сплавов, позволит увеличить их ресурс и весовую отдачу.

Известен жаропрочный сплав на никелевой основе для тяжело нагруженных деталей горячего тракта ГТД, в том числе для дисков турбины, следующего химического состава, мас.%:

Кобальт 16,0-22,4 Хром 6,6-14,3 Вольфрам 1,9-4,0 Молибден 1,9-3,9 Рений 0-2,5 Алюминий 2,6-4,8 Титан 2,4-4,6 Ниобий 0,9-3,0 Тантал 1,4-3,5 Углерод 0,02-0,10 Бор 0,02-0,10 Цирконий 0,03-0,10 Никель Остальное

(Патент EP №1201777).

Известен также сплав, содержащий, мас.%:

Кобальт 14,0-16,0 Хром 9,0-11,0 Железо 0,001-1,0 Вольфрам 5,2-6,8 Молибден 3,0-3,9 Алюминий 3,2-4,5 Титан 3,0-3,9 Ниобий 1,2-2,4 Углерод 0,02-0,1 Бор 0,005-0,05 Цирконий 0,001-0,05 Гафний 0,05-0,5 Магний 0,001-0,05 Марганец 0,001-0,5 Кремний 0,001-0,5 Никель Остальное

(Патент РФ №2294393).

Эти сплавы не обладают комплексом свойств, необходимым для материала деталей горячего тракта турбины, в том числе дисков, перспективных газотурбинных двигателей нового поколения: высоким уровнем прочности, сопротивлением малоцикловой усталости в сочетании с жаропрочностью. Для работы в сложных климатических условиях, например при наличии в атмосфере или в продуктах горения топлива ионов хлора и серы, их коррозионная стойкость недостаточна. Необходимый уровень надежности и ресурса они не обеспечивают.

Известен жаропрочный деформируемый сплав на никелевой основе для дисков турбин и других узлов и деталей горячего тракта ГТД следующего химического состава, мас.%:

Кобальт 14,0-15,9 Хром 9,7-12,0 Вольфрам 1,5-3,5 Молибден 3,5-4,5 Рений 0,5-2,5 Алюминий 3,5-4,2 Титан 2,5-3,5 Ниобий 2,5-4,0 Ванадий 0,4-0,7 Углерод 0,04-0,10 Бор 0,007-0,014 Лантан 0,005-0,015 Церий 0,003-0,010 Магний 0,004-0,015 Скандий 0,003-0,015 Никель Остальное

(Патент РФ №2280091).

Сплав обладает высокой жаропрочностью в интервале температур от 650 до 850°С, прочностью при комнатной температуре. Однако стойкость к сульфидно-оксидной коррозии сплава недостаточна для перспективных двигателей нового поколения. Кроме того, высокая стоимость рения приводит к значительному (до 2^х раз) удорожании сплава по сравнению с серийными материалами аналогичного назначения, что ограничивает его практическое применение в изделиях нового поколения.

Наиболее близким по составу и назначению к предлагаемому является сплав со следующим содержанием компонентов, мас.%:

Кобальт 13,0÷15,0 Хром 8,5÷9,5 Вольфрам 5,3÷6,5 Молибден 3,0÷3,5 Алюминий 3,6÷4,0 Титан 2,5÷2,9 Ниобий 3,2÷3,8 Ванадий 0,1÷0,6 Углерод 0,08÷0,14 Бор 0,008÷0,02 Цирконий 0,01÷0,06 Лантан 0,005÷0,012 Церий 0,005÷0,03 Магний 0,003÷0,1 Никель Остальное

(Патент РФ №2022044).

Недостатками этого сплава являются недостаточно высокие прочностные характеристики, жаропрочность, малоцикловая усталость и стойкость к сульфидно-оксидной коррозии. Свойства сплава, представленные в патенте, получены после проведения специальной термомеханической обработки, в результате которой формируется структура «ожерелье». Изделия из этого сплава с такой структурой обладают ограниченными значениями ресурса и надежности при температурах выше 700°С.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка жаропрочного деформируемого сплава на основе никеля, обладающего высоким комплексом свойств: длительной прочностью при температурах до 800°С, прочностью при комнатной температуре, высоким сопротивлением малоцикловой усталости и сопротивлением сульфидно-оксидной коррозии, что обеспечивает применение этого сплава в изделиях нового поколения.

Для решения поставленной задачи предлагается жаропрочный деформируемый сплав на основе никеля, содержащий кобальт, хром, вольфрам, молибден, алюминий, титан, ниобий, ванадий, углерод, бор, лантан, церий, магний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит скандий и кремний при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Кобальт 9,5-16,0 Хром 9,0-11,0 Вольфрам 2,5-3,4 Молибден 3,5-4,8 Алюминий 3,4-4,0 Титан 2,3-3,5 Ниобий 4,1-4,8 Ванадий 0,2-0,8 Углерод 0,04-0,10 Бор 0,007-0,02 Лантан 0,003-0,06 Церий 0,003-0,02 Магний 0,003-0,02 Скандий 0,003-0,05 Кремний 0,005-0,3 Никель Остальное

и изделие, выполненное из него.

Для изделий длительно работающих при температурах 750÷800°С в сплав дополнительно вводят тантал в количестве 0,05÷2,0 мас.%.

Введение кремния, скандия, а также увеличение содержания ниобия в сплаве предлагаемого состава повышает одновременно прочность, жаропрочность, сопротивление малоцикловой усталости, снижает скорость сульфидно-оксидной коррозии. Это происходит из-за образования стабильных первичных и вторичных карбидов, связывания легкоплавких примесей по границам зерен, формирования оксидной пленки с большей защитной способностью на поверхности детали.

Содержание кремния и скандия меньше указанного количества - неэффективно, больше - снижает технологичность сплава при выплавке и деформации.

Дополнительное введение в сплав тантала эффективно для изделий, длительно (более 100 часов) работающих при температурах 750÷800°С. Тантал способствует формированию более термодинамически устойчивых карбидов и частиц упрочняющей γ′-фазы. Он увеличивает прочностные свойства и коррозионную стойкость сплава. Добавка менее указанного количества тантала приводит к снижению свойств сплава при длительной работе при температурах 750÷800°С, более - к снижению технологичности при выплавке и деформации.

Пример осуществления

Для практического осуществления изобретения в лабораторных условиях были выплавлены пять вакуумных индукционных плавок предлагаемого сплава, (примеры 1-4) и сплава-прототипа (пример 5) (Таблица 1).

Заливка металла плавок производилась в круглые металлические кокили. Полученные слитки были обточены «как чисто», а затем разрезаны на шихтовые заготовки. Заготовки под деформацию ⌀100 мм и весом ~22 кг получали переплавом методом высокоскоростной направленной кристаллизации.

Далее заготовки многократно деформировали. В результате получили модельные штамповки дисков ⌀200-300 мм, высотой 50-25 мм, из которых вырезали заготовки под образцы.

Термическая обработка - закалка и двойное старение.

Полученные образцы испытывали на длительную и кратковременную прочность, малоцикловую усталость, коррозионную стойкость в присутствии ионов хлора и серы при температурах 650 и 750°С.

Результаты испытаний представлены в Таблице 2.

Предлагаемый сплав превосходит сплав-прототип по всему комплексу свойств: по прочности при кратковременном разрыве при 20°С - более чем на 11%, длительной прочности при 800°С ~ на 8%, малоцикловой усталости при 750°С - более чем на 9%, сопротивлению сульфидно-оксидной коррозии - при 650°С - более 55%, при (750-800)°С - более чем в 10 раз.

Таким образом, применение предлагаемого сплава позволит повысить комплекс свойств деталей горячего тракта ГТД, повысить ресурс и надежность перспективных двигателей. Кроме того, более высокая коррозионная стойкость позволит применять изделия из этого сплава без защиты во всеклиматических условиях и при использовании топлив с высоким содержанием серы.

Таблица 1 Химический состав опытных плавок предлагаемого сплава и сплава-прототипа № плавки Химический состав, мас.% Co Cr W Mo Al Ti Nb V C B Zr La Ce Mg Sc Si Ta Ni 1 16,0 9,0 2,5 3,5 3,4 3,5 4,8 0,8 0,04 0,007 - 0,003 0,02 0,02 0,05 0,3 -   2 14,9 10,0 3,2 4,8 3,7 2,5 4,4 0,6 0,07 0,012 - 0,010 0,007 0,008 0,009 од - Остальное 3 9,5 11,0 3,4 4,4 4,0 2,3 4,1 0,2 0,10 0,02 - 0,06 0,003 0,003 0,003 0,005 0,05   4 15,0 9,4 2,5 3,5 3,5 2,3 4,1 0,5 0,06 0,012 - 0,010 0,007 0,010 0,009 0,1 2,0   5 14,0 9,0 5,9 3,3 3,8 2,7 3,5 0,4 0,11 0,015 0,04 0,009 0,018 0,007 - - -  

Таблица 2 Результаты сравнительных испытаний опытных плавок предлагаемого сплава и сплава-прототипа (средние значения) Свойства T σ_в ²⁰ σ_0,2 ²⁰ δ₅ ²⁰ σ₁₀₀ МЦУ на базе 10⁴ ц, гладкие образцы Скорость сульфидно-оксидной коррозии, г/м²·ч № пл. °С МПа % МПа МПа % 1 20 1608 1198 15,3 - 1360 -   650 1570 1100 13,2 1090 1280 -0,20   750 - - - 720 1150 -0,45   800 - - - 510 - -0,64 2 20 1625 1215 14,0 - 1370 -   650 1570 1110 13,0 1085 1300 -0,22   750 - - - 710 1150 -0,35   800 - - - 510 - -0,43 3 20 1630 1220 13,8 - 1360 -   650 1560 ИЗО 12,9 1085 1300 -0,29   750 - - - 720 1160 -0,52   800 - - - 520 - -0,67 4 20 1657 1273 15,2 - 1380 -   650 1570 1100 13,5 1095 1300 -0,15   750 - - - 730 1150 -0,23   800 - - - 530 - -0,37 5 20 1450 1100 14,8 - 1360 -   650 1400 1060 18,4 1030 1100 -0,45   750 - - - 686 1060 -6,7   800 - - - 460 - -7,1 T - температура испытания, σ_в - предел прочности; σ_0,2 - предел текучести δ - относительное удлинение; σ₁₀₀ - предел сточасовой длительной прочности; МЦУ - малоцикловая усталость.

Изобретение относится к области металлургии жаропрочных деформируемых сплавов на основе никеля и изделий, выполненных из этих сплавов, и может быть использовано для изготовления дисков турбин газотурбинных двигателей и других узлов и деталей, работающих при температурах до 800°С во всеклиматических условиях. Сплав и изделие, выполненное из него, имеют следующий состав, мас.%: кобальт 9,5-16,0; хром 9,0-11,0; вольфрам 2,5-3,4; молибден 3,5-4,8; алюминий 3,4-4,0; титан 2,3-3,5; ниобий 4,1-4,8; ванадий 0,2-0,8; углерод 0,04-0,10; бор 0,007-0,02; лантан 0,003-0,06; церий 0,003-0,02; магний 0,003-0,02; скандий 0,003-0,05; кремний 0,005-0,3; никель - остальное. Сплав дополнительно может содержать тантал 0,05-2,0 мас.%. Технический результат - повышение жаропрочности при температурах до 800°С, сопротивления малоцикловой усталости, прочности при комнатной температуре, снижение скорости сульфидно-оксидной коррозии. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Жаропрочный деформируемый сплав на основе никеля, содержащий кобальт, хром, вольфрам, молибден, алюминий, титан, ниобий, ванадий, углерод, бор, лантан, церий, магний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит скандий и кремний при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Кобальт 9,5-16,0 Хром 9,0-11,0 Вольфрам 2,5-3,4 Молибден 3,5-4,8 Алюминий 3,4-4,0 Титан 2,3-3,5 Ниобий 4,1-4,8 Ванадий 0,2-0,8 Углерод 0,04-0,10 Бор 0,007-0,02 Лантан 0,003-0,06 Церий 0,003-0,02 Магний 0,003-0,02 Скандий 0,003-0,05 Кремний 0,005-0,3 Никель Остальное

2. Жаропрочный деформируемый сплав на основе никеля по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит тантал 0,05÷2,0 мас.%.

3. Изделие из жаропрочного деформируемого сплава на основе никеля, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п.1 или 2.