ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ Российский патент 2010 года по МПК C22C19/05 

Изобретение относится к металлургии сплавов, в частности к производству жаропрочных сплавов на основе никеля, предназначенных для изготовления методом направленной кристаллизации из них изделий с монокристаллической и направленной структурой, например лопаток газовых турбин, работающих длительно при температурах до 1150°С.

Известен жаропрочный сплав на основе никеля следующего химического состава, мас.%:

Хром 2,0-5,0 Кобальт 0,1-15,0 Алюминий 5,0-7,0 Вольфрам 4,0-8,0 Молибден 2,9-4,5 Тантал 4,0-8,0 Рений 3,0-6,0 Рутений 1,0-4,0 Гафний 0,01-0,5 Никель остальное

(заявка US №2003/0075247)

Известный сплав обладает недостаточно высокими характеристиками жаростойкости и длительной прочности: при рабочей температуре 1100°С потеря удельной массы сплава за 500 часов статического окисления составляет ~500 г/м², время до разрушения при испытании на длительную прочность при напряжении 137,2 МПа составляет 412,3 часа.

Известен жаропрочный сплав на основе никеля марки TMS-196 следующего химического состава, мас.%:

Хром 4,6 Кобальт 5,6 Алюминий 5,6 Вольфрам 5,0 Молибден 2,4 Тантал 5,6 Рений 6,4 Рутений 5,0 Гафний 0,1 Никель остальное

(A. Sato, H. Harada, An-C. Yen, at al. «A 5th generation SC superalloy with balanced high temperature properties and rocessability» //Superalloys 2008. R.C. Reed, K.A. Green, p. Caron et al. (Eds). Publ. of the Minerals, Metals & Materials Society. Seven Springs Mountain Resort, Champion (Pennsylvania), 2008, pp.131-138)

Известный сплав имеет низкую жаростойкость: при рабочей температуре 1100°С удельная потеря массы сплава за 20 циклов окисления общей длительностью 100 часов составляет ~90 г/м².

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является жаропрочный сплав на основе никеля.

Жаропрочный сплав на основе никеля имеет следующий химический состав, мас.%:

Хром 2,1-3,3 Кобальт 5,0-7,0 Алюминий 5,7-6,3 Вольфрам 3,2-4,8 Молибден 3,5-5,0 Тантал 4,0-5,0 Рений 5,6-7,0 Рутений 2,0-6,0 Церий 0,001-0,02 Лантан 0,002-0,25 Неодим 0,0005-0,01 Иттрий 0,002-0,02 Углерод 0,002-0,02 Бор 0,0004-0,004 Никель остальное (патент РФ №2293782)

Дополнительные исследования показали, что сплав-прототип обладает недостаточно высокой жаростойкостью и длительной прочностью.

Технической задачей предлагаемого изобретения является улучшение жаростойкости и повышение длительной прочности жаропрочного сплава на основе никеля при рабочих температурах 900-1150°С.

Для достижения поставленной технической задачи предложен жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий хром, кобальт, алюминий, вольфрам, молибден, тантал, рений, рутений, церий, лантан, неодим, иттрий, углерод, бор, который дополнительно содержит магний и/или кальций, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Хром 2,5-4,5 Кобальт 5,0-6,0 Алюминий 5,4-6,0 Вольфрам 3,5-4,5 Молибден 2,8-3,8 Тантал 5,3-6,3 Рений 5,8-6,8 Рутений 4,6-6,4 Церий 0,001-0,02 Лантан 0,002-0,1 Неодим 0,0005-0,01 Иттрий 0,002-0,02 Углерод 0,002-0,05 Бор 0,0004-0,004 магний и/или   кальций 0,001-0,009 Никель остальное

В металлургии жаропрочных сплавов на основе никеля с равноосной структурой известна положительная роль микролегирования магнием и/или кальцием, заключающаяся в повышении когезивной прочности границ зерен. Вместе с тем также известно, что в жаропрочные сплавы на основе никеля с монокристаллической и направленной структурой магний и кальций не вводятся, поскольку эти элементы значительно снижают температуру плавления никеля.

Однако было установлено, что введение магния и/или кальция в жаропрочный сплав на основе никеля при заявленном содержании и соотношении компонентов приводит к повышению характеристик жаростойкости и длительной прочности сплава в связи со способностью этих элементов образовывать тугоплавкие сульфиды и оксиды в виде высокодисперсных частиц с неизбежными примесями серы и кислорода.

Образование указанных химических соединений обусловлено тем, что в процессе кристаллизации магний и/или кальций из-за весьма низких коэффициентов распределения (K~0,001) сегрегируют в расплав и накапливаются в локальных объемах перед движущимся фронтом роста дендритных ветвей монокристаллической и направленно закристаллизованной отливки сплава, достигая при этом необходимых концентраций. Из-за рафинирующего эффекта содержание неизбежных вредных примесей серы и кислорода в объеме затвердевшего сплава понижается и, следовательно, снижается их отрицательное воздействие на жаростойкость и длительную прочность сплава, а также повышается способность сплава к формированию при направленной кристаллизации монокристаллической и столбчатой структуры. В результате повышается структурное совершенство сплава, способствуя улучшению жаростойкости и длительной прочности.

Пример осуществления

В вакуумной индукционной печи были выплавлены четыре сплава предлагаемого состава и один сплав состава, взятого за прототип. Содержание компонентов (мас.%) в композициях сплавов приведено в таблице 1. Затем эти сплавы переплавляли в вакуумной печи для направленной кристаллизации и получали цилиндрические отливки диаметром 16 мм и длиной 190 мм. Далее эти отливки подвергали термической обработке и изготавливали из них образцы для испытаний на жаростойкость и длительную прочность.

Полученные результаты испытаний на жаростойкость и длительную прочность сплавов приведены в таблице 2.

Как видно из таблицы 2, предлагаемый сплав имеет более высокую (на 30-40%) жаростойкость, чем сплав, взятый за прототип. Характеристики длительной прочности - долговечность (время до разрушения) предлагаемого сплава при температуре 900°С больше в 1,9 раза, при температуре 1100°С больше в 2,3 раза, при температуре 1150°С больше в 1,5, чем сплава, взятого за прототип.

Таким образом, предлагаемый жаропрочный сплав на основе никеля значительно превосходит сплав-прототип по характеристикам жаростойкости и длительной прочности, что позволяет повысить надежность и ресурс турбинных лопаток в интервале рабочих температур 900-1150°C.

  Таблица 2 Пример Характеристики жаростойкости при Т=1100°С за 20 циклов окисления общей длительностью 100 час Время до разрушения при испытании на длительную прочность, час Потеря удельной массы, г/м² Глубина коррозии, мкм Т=900°С σ=450 МПа Т=1100°С σ=130 МПа Т=1150°С σ=100 МПа 1 Сплав-прототип 35 43 619 831 295 2 Заявляемый сплав 18 29 1220 1754 448 3 20 30 1189 2062 469 4 23 33 1309 1698 431 5 25 32 1205 1975 492

Изобретение относится к металлургии сплавов, в частности к производству жаропрочных сплавов на основе никеля, предназначенных для изготовления методом направленной кристаллизации из них изделий с монокристаллической и направленной структурой, например лопаток газовых турбин, работающих длительно при температурах до 1150°С. Жаропрочный сплав содержит, мас.%: хром 2,5-4,5, кобальт 5,0-6,0, алюминий 5,4-6,0, вольфрам 3,5-4,5, молибден 2,8-3,8, тантал 5,3-6,3, рений 5,8-6,8, рутений 4,6-6,4, церий 0,001-0,02, лантан 0,002-0,1, неодим 0,0005-0,01, иттрий 0,002-0,02, углерод 0,002-0,05, бор 0,0004-0,004, магний и/или кальций 0,001-0,009, никель - остальное. Технический результат - улучшение жаростойкости, повышение длительной прочности при рабочих температурах 900-1150°С. 2 табл.

Жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий хром, кобальт, алюминий, вольфрам, молибден, тантал, рений, рутений, церий, лантан, неодим, иттрий, углерод, бор, отличающийся тем, что он дополнительно содержит магний и/или кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:
хром 2,5-4,5 кобальт 5,0-6,0 алюминий 5,4-6,0 вольфрам 3,5-4,5 молибден 2,8-3,8 тантал 5,3-6,3 рений 5,8-6,8 рутений 4,6-6,4 церий 0,001-0,02 лантан 0,002-0,1 неодим 0,0005-0,01 иттрий 0,002-0,02 углерод 0,002-0,05 бор 0,0004-0,004 магний   и/или кальций 0,001-0,009 никель остальное