ЖАРОПРОЧНЫЙ ДЕФОРМИРУЕМЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ Российский патент 2010 года по МПК C22C19/03 

Описание патента на изобретение RU2404275C1

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии жаропрочных деформируемых сплавов на основе никеля с низким температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР) и может быть использовано в качестве материала для изготовления свариваемых высоконагруженных деталей газотурбинных двигателей (ГТД), например элементов сопряжения корпуса компрессора и др., с рабочей температурой до 600°С, работающих в условиях с повышенными требованиями по неизменности зазоров.

Классическими материалами с регламентированными в температурных интервалах эксплуатации физическими свойствами, такими как α-температурный коэффициент линейного расширении (ТКЛР), являются сплавы системы железо-никель, но они не обладают достаточным уровнем прочностных свойств при высоких температурах.

Известны сплавы с низким коэффициентом линейного расширения системы железо-никель-кобальт. Низким ТКЛР сплавы этой группы обязаны выводу из их состава хрома и молибдена. Однако эти материалы также не обеспечивают достаточный уровень жаропрочности для двигателей нового поколения.

Известны деформируемые сплавы на никелевой основе следующего химического состава (мас.%):

Кобальт 0÷31 Хром 1,7÷8,3 Никель 30÷37 Вольфрам 0÷1 Молибден 0÷1 Алюминий 0÷1,5 Титан 3÷6 Ниобий 1,5÷5 Углерод 0÷0,20 Бор 0÷0,03 Цирконий 0÷0,1 Марганец 0÷2 Медь 0÷1 Кремний 0÷1 Железо остальное

(Патент США №5283032).

Кобальт 12,0÷16,0 Никель 35,0÷40,0 Алюминий 0,015 мах Титан 1,3÷1,8 Ниобий 4,3÷5,2 Углерод 0,06 мах Кремний 0,25÷0,50 Железо остальное

(Патент США №5425912).

Углерод 0,005÷0,05 Хром 10÷20 Вольфрам 0,5÷8,0 Молибден 13÷20 Ниобий 0,2÷1,0 Церий 0,001÷0,01 Иттрий 0,002÷0,01 Магний 0,003÷0,07 Никель остальное

(Патент РФ №1520871).

Эти сплавы, имея достаточно низкий температурный коэффициент линейного расширения, не обладают комплексом свойств, необходимых для материала высоконагруженных ответственных деталей, работающих в условиях с повышенными требованиями по неизменности зазоров.

Наиболее близким по составу и назначению к предлагаемому является свариваемый жаропрочный деформируемый сплав системы Fe-Ni с пониженным коэффициентом термического расширения следующего химического состава (мас.%):

Углерод 0,01÷0,1 Никель 35,0÷40,0 Кобальт 10,0÷27,0 Ниобий 3,0÷7,0 Титан 0,05÷2,0 Ванадий 0,1÷1,0 Магний 0,005÷0,1 Иттрий 0,005÷0,1 Церий 0,005÷0,1 Лантан 0,005÷0,1 Бор 0,001÷0,01 Железо остальное

(Патент РФ №177466).

Недостатком этого сплава является низкий уровень длительной прочности при температуре 600°С, что не позволяет использовать его для изготовления деталей газотурбинных двигателей, особенно перспективных, где предъявляются повышенные требования как к механическим свойствам, так и к величине зазоров в конструкции.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка свариваемого жаропрочного деформируемого сплава на основе никеля, сочетающего высокие прочностные свойства, длительную прочность и низкий коэффициент линейного расширения в диапазоне температур 20-600°С и технологичность при сварке.

Для решения поставленной задачи предложен жаропрочный деформируемый сплав на основе никеля, содержащий углерод, кобальт, железо, ниобий, титан, лантан, бор, магний, церий, который дополнительно содержит хром, вольфрам, молибден, алюминий, тантал, и скандий, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 0,02÷0,08 Кобальт 18,0÷25,0 Железо 22,0÷30,0 Хром 0,3÷1,2 Вольфрам 0,05÷2,0 Молибден 0,05÷2,0 Ниобий 4,5÷5,5 Алюминий 0,3÷0,8 Титан 1,5÷2,7 Тантал 0,1÷2,0 Бор 0,005÷0,010 Лантан 0,001÷0,03 Церий 0,001÷0,03 Магний 0,003÷0,03 Скандий 0,003÷0,03 Никель остальное

Сплав состоит из аустенитной γ-матрицы с г.ц.к. структурой, которая упрочнена выделениями упорядоченной фазы (Ni, Co, Fe)3 (Nb, Ti), карбидами и боридами.

Высокотемпературные свойства в сплаве формируются в результате сочетания эффектов легирования при обеспечении оптимального количества, размера и распределения упрочняющих фаз.

Добавки вольфрама, молибдена и хрома упрочняют твердый раствор и снижают скорость диффузии компонентов сплава, особенно при повышенных температурах, что оказывает заметное влияние на эффективность упрочнения.

Добавки тантала и скандия ведут к образованию более стойких карбидов и боридов, а также к дополнительной стабилизации упрочняющей фазы и твердого раствора, а также к концентрации этих элементов по границам зерен и снижения их дефектности, что способствует повышению длительной прочности и свариваемости сплава.

Введение в состав сплава таких элементов, как тантал, скандий, вольфрам, молибден, алюминий, хром, в указанных соотношениях, также позволяет исключить выделение топологических плотноупакованных фаз. Это обеспечивает фазовую и структурную стабильность материала, пластичность и отсутствие чувствительности к концентрации напряжений.

Пример осуществления

Для практического осуществления изобретения предлагаемый сплав получали методом вакуумно-индукционной выплавки. Поверхность полученных слитков подвергали механической обработке - обточке. После нагрева до температуры 1100°С слитки ковали на сутунки в изотермических условиях.

Кованые сутунки подвергали прокатке на лист толщиной δ=4 мм. Температура нагрева под прокатку 1080°С.

Горячекатаные листы отжигали при температуре 1080°С, с охлаждением в воду; травили в щелочно-кислотной ванне.

Протравленные листы подвергали холодной прокатке до толщины 1,5-2,0 мм.

В таблице 1 приведен химический составы различных плавок предлагаемого сплава.

В таблице 2 - соответствующие им значения температурного коэффициента линейного расширения, механические свойства, критическая скорость деформации в сварном шве.

Результаты испытаний показывают, что предлагаемый сплав обладает более высокой длительной прочностью при рабочей температуре 600°С и σ=950 МПа, и низким температурным коэффициентом линейного расширения в интервале температур 20-600°С - α=(10,9÷12,0)·10-61/°С, a также более высокой технологичностью при сварке.

Таким образом, низкий уровень ТКЛР в сочетании с высоким уровнем прочностных характеристик позволит использовать предлагаемый сплав для элементов сопряжения корпуса компрессора газотурбинных двигателей с повышенными требованиями по ресурсу, надежности и КПД.

Похожие патенты RU2404275C1

название год авторы номер документа
Жаропрочный деформируемый сплав на основе никеля с низким температурным коэффициентом линейного расширения и изделие, выполненное из него 2019
  • Каблов Евгений Николаевич
  • Овсепян Сергей Вячеславович
  • Ахмедзянов Максим Вадимович
  • Расторгуева Ольга Игоревна
  • Мин Павел Георгиевич
  • Мазалов Иван Сергеевич
RU2721261C1
ЖАРОПРОЧНЫЙ ДЕФОРМИРУЕМЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ ЭТОГО СПЛАВА 2014
  • Каблов Евгений Николаевич
  • Бакрадзе Михаил Михайлович
  • Ломберг Борис Самуилович
  • Овсепян Сергей Вячеславович
  • Лимонова Елена Николаевна
  • Чабина Елена Борисовна
  • Филонова Елена Владимировна
  • Хвацкий Константин Константинович
RU2571674C1
ЖАРОПРОЧНЫЙ ДЕФОРМИРУЕМЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ ЭТОГО СПЛАВА 2008
  • Каблов Евгений Николаевич
  • Ломберг Борис Самуилович
  • Овсепян Сергей Вячеславович
  • Лимонова Елена Николаевна
  • Бакрадзе Михаил Михайлович
  • Чабина Елена Борисовна
  • Вавилин Николай Львович
RU2365657C1
ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ КОТЛОВ И ПАРОВЫХ ТУРБИН, РАБОТАЮЩИХ ПРИ УЛЬТРАСВЕРХКРИТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРАХ ПАРА 2017
  • Скоробогатых Владимир Николаевич
  • Лубенец Владимир Платонович
  • Козлов Павел Александрович
  • Логашов Сергей Юрьевич
  • Яковлев Евгений Игоревич
RU2637844C1
ДЕФОРМИРУЕМЫЙ ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ 2019
  • Храмин Роман Владимирович
  • Буров Максим Николаевич
  • Логунов Александр Вячеславович
  • Данилов Денис Викторович
  • Лещенко Игорь Алексеевич
  • Заводов Сергей Александрович
  • Михайлов Александр Михайлович
  • Михайлов Михаил Александрович
  • Мухтаров Шамиль Хамзаевич
  • Мулюков Радик Рафикович
RU2695097C1
ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ НИКЕЛЬ-АЛЮМИНИЙ-КОБАЛЬТ 2015
  • Каблов Евгений Николаевич
  • Ломберг Борис Самуилович
  • Летников Михаил Николаевич
  • Овсепян Сергей Вячеславович
RU2603415C1
Литейный жаропрочный никелевый сплав с монокристаллической структурой 2021
  • Данилов Денис Викторович
  • Зубарев Геннадий Иванович
  • Кузьмин Максим Владимирович
  • Лещенко Игорь Алексеевич
  • Логунов Александр Вячеславович
  • Марчуков Евгений Ювенальевич
RU2769330C1
ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ 1992
  • Мулин С.В.
  • Чударева Л.П.
  • Ломберг Б.С.
  • Малашенко Ю.В.
  • Стрелецкий Ю.Д.
  • Гусев А.В.
  • Никонов Е.В.
  • Степанов В.П.
  • Миленина Е.Г.
  • Вахтанов Б.Ф.
  • Борин Б.Ф.
  • Самборская Н.И.
RU2022044C1
ЖАРОПРОЧНЫЙ ДЕФОРМИРУЕМЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО 2020
  • Каблов Евгений Николаевич
  • Ломберг Борис Самуилович
  • Ахмедзянов Максим Вадимович
  • Бакрадзе Михаил Михайлович
  • Мазалов Иван Сергеевич
  • Чабина Елена Борисовна
  • Расторгуева Ольга Игоревна
  • Скугорев Александр Викторович
RU2737835C1
ГРАНУЛИРУЕМЫЙ ВЫСОКОЖАРОПРОЧНЫЙ НИКЕЛЕВЫЙ СПЛАВ И ИЗДЕЛИЕ, ИЗГОТОВЛЕННОЕ ИЗ НЕГО 2016
  • Каблов Евгений Николаевич
  • Оспенникова Ольга Геннадиевна
  • Бакрадзе Михаил Михайлович
  • Востриков Алексей Владимирович
  • Волков Александр Максимович
  • Иноземцев Александр Александрович
  • Гришечкин Александр Иванович
  • Перевозов Алексей Сергеевич
RU2623540C1

Реферат патента 2010 года ЖАРОПРОЧНЫЙ ДЕФОРМИРУЕМЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ

Изобретение относится к области металлургии жаропрочных деформируемых сплавов на основе никеля с низким температурным коэффициентом линейного расширения и может быть использовано в качестве материала для изготовления свариваемых высоконагруженных деталей газотурбинных двигателей с рабочей температурой до 600°С, работающих в условиях с повышенными требованиями по неизменности зазоров. Предложен жаропрочный деформируемый сплав, содержащий мас.%: углерод 0,02÷0,08, кобальт 18,0÷25,0, железо 22,0÷30,0, хром 0,3÷1,2, вольфрам 0,05÷2,0, молибден 0,05÷2,0, тантал 0,1÷2,0, алюминий 0,3÷0,8, титан 1,5÷2,7, ниобий 4,5÷5,5, бор 0,005÷0,010, лантан 0,001÷0,03, церий 0,001÷0,03, магний 0,003÷0,03, скандий 0,003÷0,03, никель - остальное. Сплав характеризуется высокими прочностными свойствами, длительной прочностью и низким коэффициентом линейного расширения в диапазоне температур 20-600°С и технологичностью при сварке. 2 табл.

Формула изобретения RU 2 404 275 C1

Жаропрочный деформируемый сплав на основе никеля, содержащий углерод, кобальт, железо, титан, ниобий, бор, церий, магний, лантан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит вольфрам, молибден, хром, алюминий, тантал и скандий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод 0,02÷0,08 Кобальт 18,0÷25,0 Железо 22,0÷30,0 Хром 0,3÷1,2 Вольфрам 0,05÷2,0 Молибден 0,05÷2,0 Тантал 0,1÷2,0 Алюминий 0,3÷0,8 Титан 1,5÷2,7 Ниобий 4,5÷5,5 Бор 0,005÷0,010 Лантан 0,001÷0,03 Церий 0,001÷0,03 Магний 0,003÷0,03 Скандий 0,003÷0,03 Никель остальное

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2010 года RU2404275C1

ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ЖЕЛЕЗОНИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ 1990
  • Латышев В.Б.
  • Кочетова Н.Я.
  • Моисеев С.А.
  • Хацинская И.М.
  • Тупикин В.И.
  • Качерова Л.И.
  • Копелевич В.А.
SU1774664A1
СПЛАВ, СТОЙКИЙ К ОКИСЛЕНИЮ (ВАРИАНТЫ) 1991
  • Джон Скотт Смит[Us]
  • Даррел Франклин Смит
  • Ронелдо Ли Фишер[Us]
  • Карл Эндрю Хек[Us]
RU2088684C1
ЖАРОПРОЧНЫЙ ДЕФОРМИРУЕМЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ ЭТОГО СПЛАВА 2004
  • Каблов Евгений Николаевич
  • Ломберг Борис Самуилович
  • Маркина Людмила Сергеевна
  • Овсепян Сергей Вячеславович
  • Лимонова Елена Николаевна
  • Бакрадзе Михаил Михайлович
  • Чабина Елена Борисовна
RU2280091C1
GB 733489 A, 13.07.1955.

RU 2 404 275 C1

Авторы

Овсепян Сергей Вячеславович

Ломберг Борис Самуилович

Григорьева Татьяна Ильинична

Самсонов Виктор Дмитриевич

Лимонова Елена Николаевна

Бакрадзе Михаил Михайлович

Вавилин Николай Львович

Даты

2010-11-20Публикация

2009-10-28Подача