ЖАРОПРОЧНЫЙ ПОРОШКОВЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ Российский патент 2011 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 (ГТД).

Известен жаропрочный никелевый сплав, предназначенный для деталей газовых турбин, состава (в 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, C22C 19/05, 1999 год).

Недостатками 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 (в масс.%):

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

(патент РФ 2257420, C22C 19/05, 2005 год) - прототип.

Недостатками этого сплава являются низкие характеристики прочности (σ_в ^650°C) 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 (в мас.%):

Углерод - 0,06-0,13 Хром - 8,0-12,0 Кобальт - 14,0-16,0 Вольфрам - 5,4-7,0 Молибден - 2,0-3,5 Титан - 3,0-4,5 Алюминий - 3,0-4,5 Ниобий - 1,5-2,5 Тантал - 0,5-4,0 Гафний - 0,05-0,5 Рений - 0,2-0,7 Бор - 0,005-0,05 Цирконий - 0,001-0,05 Магний - 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 тантал, рений, марганец, кремний и железо при следующем соотношении компонентов в мас.%:

Углерод - 0,06-0,13 Хром - 8,0-12,0 Кобальт - 14,0-16,0 Вольфрам - 5,4-7,0 Молибден - 2,0-3,5 Титан - 3,0-4,5 Алюминий - 3,0-4,5 Ниобий - 1,5-2,5 Тантал - 0,5-4,0 Гафний - 0,05-0,5 Рений - 0,2-0,7 Бор - 0,005-0,05 Цирконий - 0,001-0,05 Магний - 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, 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 γ'-фазы, а также одновременно позволяет исключить образование внутренних пор в процессе распыления порошка и, в результате, получать плотные беспористые заготовки, прессуемые из него.

Пример

Методом порошковой металлургии был изготовлен и опробован сплав предлагаемого состава

Углерод - 0,09 Хром - 10,0 Кобальт - 15,0 Вольфрам - 6,0 Молибден - 2,5 Титан - 3,8 Алюминий - 3,8 Ниобий - 1,8 Тантал - 2,0 Гафний - 0,2 Рений - 0,5 Бор - 0,02 Цирконий - 0,02 Магний - 0,03 Железо - 0,5 Марганец - 0,3 Кремний - 0,2 Никель - 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.

Таблица 650°С   Предел прочности σ_В Предел текучести σ_0,2 Относительное удлинение δ Относительное сужение ψ Предел ползучести σ_0,2/100 СРТУ ΔК=44 МПа·м^0,5 МПа % МПа мм/цикл предлагаемый 1635 1189 12,6 16,3 998 1,5·10^-4 прототип 1420 1088 7,5 7,8 830 8,2·10^-4

Из таблицы видно, что сплав предлагаемого состава при рабочей температуре 650°С превосходит прототип по характеристикам прочности: на 13-15% по пределу прочности; на 8-10% по пределу текучести, а также на 18-20% - по пределу ползучести. При этом предлагаемый сплав имеет скорость распространения усталостной трещины в 5-6 раза меньше, чем прототип.

Таким образом, применение предлагаемого сплава для изготовления валов, дисков и др. деталей ГТД позволит повысить ресурс работы двигателя в 1,3-1,5 раза и увеличить его эксплуатационную надежность на 20-25%.

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии, в частности к жаропрочным сплавам на основе никеля, предназначенным для тяжелонагруженных деталей, работающих при повышенных температурах в газотурбинных двигателях. Предложен жаропрочный порошковый сплав на основе никеля, содержащий, мас.%: углерод 0,06-0,13, хром 8,0-12,0, кобальт 14,0-16,0, вольфрам 5,4-7,0, молибден 2,0-3,5, титан 3,0-4,5, алюминий 3,0-4,5, ниобий 1,5-2,5, тантал 0,5-4,0, гафний 0,05-0,5, рений 0,2-0,7, бор 0,005-0,05, цирконий 0,001-0,05, магний 0,001-0,05, железо 0,01-1,0, марганец 0,001-0,5, кремний 0,001-0,5, никель - остальное. Сплав характеризуется высокими показателями прочности, ползучести и пониженной скоростью распространения усталостных трещин при рабочих температурах. 1 табл.

Жаропрочный порошковый сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, алюминий, ниобий, гафний, бор, цирконий и магний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит тантал, рений, железо, марганец и кремний при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод 0,06-0,13 Хром 8,0-12,0 Кобальт 14,0-16,0 Вольфрам 5,4-7,0 Молибден 2,0-3,5 Титан 3,0-4,5 Алюминий 3,0-4,5 Ниобий 1,5-2,5 Тантал 0,5-4,0 Гафний 0,05-0,5 Рений 0,2-0,7 Бор 0,005-0,05 Цирконий 0,001-0,05 Магний 0,001-0,05 Железо 0,01-1,0 Марганец 0,001-0,5 Кремний 0,001-0,5 Никель остальное