ЖАРОПРОЧНЫЙ ПОРОШКОВЫЙ НИКЕЛЕВЫЙ СПЛАВ Российский патент 2009 года по МПК C22C1/04 C22C19/05 

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии, в частности к порошковой металлургии жаропрочных никелевых сплавов, и может быть использовано в газотурбинных двигателях для изготовления тяжелонагруженных деталей, работающих при повышенных температурах.

Известен жаропрочный порошковый никелевый сплав, предназначенный для деталей газовых турбин, мас.%:

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

Известен жаропрочный порошковый сплав на основе никеля, мас.%:

Углерод 0,02-0,08 Хром 8,0-11,0 Кобальт 14,0-18,0 Вольфрам 4,5-5,9 Молибден 3,0-5,5 Титан 1,5-3,0 Алюминий 4,5-6,0 Ниобий 2,0-3,5 Гафний 0,2-1,5 Бор 0,01-0,035 Цирконий 0,01-0,1 Магний 0,005-0,1 Церий 0,01-0,06 Никель остальное

(патент РФ 2160789, С22С 19/05, 2000 год) - прототип.

Недостатком этого сплава являются низкая прочность (σ_В, σ_0,2), что увеличивает удельный вес изделия, низкая жаропрочность (σ¹⁰⁰), что уменьшает ресурс работы, а также низкое сопротивление МЦУ (σ_N=10⁴) и высокая скорость распространения усталостной трещины (СРТУ) при рабочих температурах, что уменьшает эксплуатационную надежность.

Предлагается жаропрочный порошковый никелевый сплав, содержащий компоненты в следующем соотношении, мас.%:

Углерод 0,07-0,12 Хром 10,0-12,0 Кобальт 13,0-15,0 Вольфрам 4,6-5,6 Молибден 2,7-3,5 Титан 2,5-3,5 Алюминий 3,7-4,4 Ниобий 3,1-3,8 Гафний 0,05-0,2 Бор 0,005-0,05 Цирконий 0,001-0,05 Магний 0,001-0,05 Церий 0,001-0,05 Железо 0,01-1,0 Марганец 0,001-0,5 Кремний 0,001-0,5 Никель остальное

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

Углерод 0,07-0,12 Хром 10,0-12,0 Кобальт 13,0-15,0 Вольфрам 4,6-5,6 Молибден 2,7-3,5 Титан 2,5-3,5 Алюминий 3,7-4,4 Ниобий 3,1-3,8 Гафний 0,05-0,2 Бор 0,005-0,05 Цирконий 0,001-6,05 Магний 0,001-0,05 Церий 0,001-0,05 Железо 0,01-1,0 Марганец 0,001-0,5 Кремний 0,001-0,5 Никель остальное

Технический результат - повышение характеристик прочности, жаропрочности и сопротивления МЦУ при снижении скорости распространения усталостной трещины при рабочих температурах и, как следствие, увеличение ресурса и надежности двигателя и уменьшение его удельного веса по отношению к общему весу самолета.

Это достигается тем, что предлагаемый состав порошкового сплава обеспечивает в процессе распыления получение дисперсного порошка стойкой микроструктурой без внутренних пор и, в результате, позволяет прессовать из него плотные заготовки с однородной мелкозернистой структурой, что в свою очередь повышает прочность, жаропрочность и сопротивление МЦУ и снижает скорость распространения усталостной трещины. Все это приводит к увеличению ресурса и надежности двигателя и уменьшению его удельного веса.

Пример

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

Углерод 0,10 Хром 11,0 Кобальт 14,0 Вольфрам 5,0 Молибден 3,0 Титан 2,8 Алюминий 4,0 Ниобий 3,4 Гафний 0,1 Бор 0,015 Цирконий 0,01 Магний 0,02 Церий 0,01 Железо 0,5 Марганец 0,3 Кремний 0,2 Никель остальное

Также был получен сплав по составу-прототипу.

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 1.

Таблица 1   Механические свойства   при 20°С при 650°С Предел прочности σ_В Предел текучести
σ_0,2 Относитель-ное удлинение δ Относительное сужение ψ Жаропрочность (длительная прочность) σ¹⁰⁰ МЦУ σ_N=10⁴ СРТУ ΔК=44 МПа·м^0,5 МПа % МПа мм/цикл предлага-емый 1640 1210 16,0 16,9 1150 1160 2,2·10^-4 прототип 1510 1030 15,5 16,8 1000 1000 5,2·10^-4

Таким образом, сплав предлагаемого состава превосходит прототип по характеристикам прочности: на 8-10% по пределу прочности и на 16-20% по пределу текучести; а также на 13-17% - по жаропрочности при рабочей температуре 650°С. При этом сплав предлагаемого состава обладает более высокими характеристиками надежности, такими как сопротивление МЦУ (выше на 15-20%) и скорость распространения усталостной трещины (в 2-3 раза меньше), чем прототип.

В результате этого применение предлагаемого сплава для изготовления валов, дисков и других деталей газотурбинных двигателей позволит, за счет высокой прочности, снизить удельный вес двигателя на 10-15%, за счет высокой жаропрочности, повысить ресурс работы 1,2-1,4 раза. А также, за счет высокого сопротивления МЦУ и низкой скорости распространения усталостной трещины, увеличить эксплуатационную надежность на 10-12%.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к жаропрочным никелевым сплавам. Может использоваться в газотурбинных двигателях для изготовления тяжелонагруженных деталей, работающих при повышенных температурах. Жаропрочный порошковый никелевый сплав, содержит, мас.%: углерод 0,07-0,12; хром 10,0-12,0; кобальт 13,0-15,0; вольфрам 4,6-5,6; молибден 2,7-3,5; титан 2,5-3,5; алюминий 3,7-4,4; ниобий 3,1-3,8; гафний 0,05-0,2; бор 0,005-0,05; цирконий 0,001-0,05; магний 0,001-0,05; церий 0,001-0,05; железо 0,01-1,0; марганец 0,001-0,5; кремний 0,001-0,5; никель - остальное. Сплав обладает высокими прочностью, жаропрочностью, сопротивлением МЦУ при снижении скорости распространения усталостной трещины при рабочих температурах. 1 табл.

Жаропрочный порошковый никелевый сплав, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, алюминий, ниобий, гафний, бор, цирконий, магний и церий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит железо, марганец и кремний при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод 0,07-0,12 Хром 10,0-12,0 Кобальт 13,0-15,0 Вольфрам 4,6-5,6 Молибден 2,7-3,5 Титан 2,5-3,5 Алюминий 3,7-4,4 Ниобий 3,1-3,8 Гафний 0,05-0,2 Бор 0,005-0,05 Цирконий 0,001-0,05 Магний 0,001-0,05 Церий 0,001-0,05 Железо 0,01-1,0 Марганец 0,001-0,5 Кремний 0,001-0,5 Никель Остальное