Изобретение относится к металлургии, в частности к литейным коррозионностойким жаропрочным сплавам на основе никеля с хромом, кобальтом, вольфрамом, молибденом, и может быть использовано для изготовления литьем деталей горячего тракта газотурбинных установок (ГТУ), работающих в агрессивных средах природного газа при температурах 600-890°C, например, лопаток с равноосной структурой.
Высокие прочностные характеристики таких сплавов достигаются за счет значительного количества (35-55 ат.%) упрочняющей γ'-фазы (Ni3Al), легированной титаном, вольфрамом и т.д., а также упрочнением твердого раствора (γ-фазы) кобальтом, хромом, молибденом, вольфрамом.
Повышенную коррозионную стойкость обеспечивают содержанием хрома в количестве 13-17 мас.%, при отношении содержания титана к содержанию алюминию ≥0,85, а также введением редкоземельных элементов. Сопротивление окислению при повышенных температурах обеспечивают повышенным содержанием алюминия и тантала, ограничением содержания молибдена, а также введением редкоземельных элементов.
Структурная стабильность на ресурс (исключение образования охрупчивающих фаз) и склонность к выделению в литом состоянии неравновесных эвтектических фаз, на месте которых при термообработке образуются поры и трещины, могут быть оценены по известной методике ФАКОМП.
Характеристики длительной прочности, критические точки сплава и другие его физико-механические свойства также могут быть оценены по известным методикам.
(H. Harada и др., Сб. Superalloys, 1988; p.p.733-742; H.Harada и др., Сб. Superalloys, 2000; p.p.729-736; H. Harada, Сб. Alloys Design for Nickel-base Superalloys, 1982, p.p.721-735)
Известен жаропрочный сплав на основе никеля для изготовления рабочей или сопловой лопатки с равноосной структурой для газовой турбины. Известный сплав содержит углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, титан, бор, тантал, цирконий, гафний, кремний, железо, медь, серу, азот, кислород и никель при следующих соотношениях компонентов, мас.%: углерод 0,04-0,12; хром 11,5-12,5; кобальт 11,5-12,5; вольфрам 3,3-3,7; молибден 1,7-2,1; алюминий 3,35-3,65; титан 4,85-5,15; бор 0,01-0,02; тантал 2,3-2,7; цирконий 0,0-20 ppm; гафний 0,0-0,05; кремний менее 0,05; железо 0,0-0,15; медь 0,0-0,10; сера 0,0-0,0012, азот 0,0-25 ppm; кислород 0,0-10 ppm и никель - остальное.
(RU 2443792, С22С 19/05, опубликовано 27.02.2012)
Регламентирование в известном сплаве содержания элементов, определяющих состояние границ зерен, позволяет достигнуть достаточно высокие характеристики сплава по жаропрочности и коррозионной стойкости. Однако известный сплав имеет недостаточно высокие значения кратковременной и длительной пластичности, а также значительный разброс прочностных характеристик. Кроме того, использование тантала в качестве легирующего элемента заметно удорожает сплав, ограничивая области его применения.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является жаропрочный сплав на основе никеля, который включает углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, титан, бор, церий, ниобий, кальций, цирконий, кремний, марганец, серу, фосфор и никель при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,07-0,15; хром 12,5-14,0; кобальт 4,0-6,0; вольфрам 4,0-6,0; молибден 1,5-2,5; алюминий 2,8-3,2; титан 4,5-5,5; бор 0,01-0,05; церий 0,02-0,05; ниобий 0,05-1,0; кальций 0,005-0,01; цирконий 0,005-0,01; кремний 0,04; марганец 0,4; сера не более 0,015; фосфор не более 0,015; никель - остальное.
(Описание SU 1072497, С22С 19/05, опубликовано 07.07.1993).
Известный сплав используют для отливки рабочих лопаток с равноосной структурой газотурбинных установок (ГТУ) малой мощности 2-16 МВт.
Известный сплав, в котором регламентировано содержание элементов, определяющих состояние границ зерен, также имеет недостаточно высокие значения кратковременной и длительной пластичности. Кроме того, при отливке крупногабаритных лопаток из этого сплава размер зерен может достигать значительных величин (до 5-10 мм) и, более того, иметь столбчатую структуру, что приводит к разбросу механических свойств и снижению минимально гарантированных значений прочности и пластичности металла лопаток. Для устранения образования столбчатой структуры приходится применять объемное модифицирование расплава перед его заливкой в керамическую форму введением в него ультрадисперсных частиц соединений тугоплавких металлов, которые становятся центрами кристаллизации и приводят к измельчению зерна в отливке до оптимальных размеров в пределах 2-4 мм. Однако применение объемного модифицирования без ограничения в шихте содержания элементов, выделяющихся на границах зерен, не может обеспечить стабильно высокий уровень служебных характеристик лопаток, полученных методом равноосного литья.
Задачей и техническим результатом изобретения является повышение пластичности металла лопаток с равноосной структурой, коррозионной стойкости, обеспечение высокой структурной стабильности на ресурс и повышенных минимально гарантированных и средних значений прочности и пластичности.
Технический результат достигается тем, что жаропрочный сплав на основе никеля для изготовления лопаток газотурбинных установок содержит углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, титан, бор, кальций, кремний, марганец, серу, фосфор, магний, медь, азот, кислород и никель, а также, по меньшей мере, два элемента, выбранных из группы: железо, ванадий и барий, при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,08-0,11; хром 14,6-15,1; кобальт 8,5-8,9; вольфрам 6,5-6,9; молибден 0,3-0,6; алюминий 3,9-4,1; титан 3,6-3,8; бор 0,010-0,013; кальций 0,01-0,20; кремний ≤0,1; марганец 0,15-0,30; сера ≤0,005; фосфор ≤0,005; магний 0,01-0,20; медь ≤0,05; азот 10-20 ppm; кислород 10-15 ppm, по меньшей мере, два элемента, выбранных из группы: железо ≤0,2; ванадий ≤0,10 и барий ≤0,01, никель - остальное.
Сплав изготавливают в виде литой прутковой заготовки, предназначенной для последующего переплава и литья лопаток и других деталей газотурбинных установок.
Ограничение содержания газов: кислорода и азота, содержания серы и фосфора, введение магния и меди в сочетании с наличием, по меньшей мере, двух дополнительных компонентов, выбранных из группы: железо, ванадий и барий, оказывающих значительное влияние на гетерогенное зарождение и измельчение зерен в отливках при кристаллизации, обеспечивает достижение поставленного технического результата.
Изобретение может быть проиллюстрировано примерами, представленными в таблицах 1-2.
В таблице 1 приведены составы сравниваемых сплавов с равноосной структурой, полученных методом равноосного литья. Служебные характеристики сплавов оценивали по известным методикам как при использовании объемного модифицирования путем введения в расплав перед разливкой в форму ультрадисперсных частиц карбонитрида титана, так и без него. Оценка была сделана для рабочих лопаток, полученных известными способами и устройствами для литья турбинных лопаток из жаропрочных сплавов с равноосной структурой.
За счет повышения чистоты шихтовой заготовки сплава по изобретению от негативно влияющих элементов и газов, особенно при выбранных концентрациях кальция, магния, марганца, дополнительно очищающих границы зерен, и при наличии, по меньшей мере, двух из группы элементов (железа, ванадия, бария), без применения объемного модифицирования удалось повысить пластичность металла лопаток в 1,3-1.4 раза. При проведении процесса объемного модифицирования сплав по изобретению демонстрирует отсутствие разнозернистости и имеет более мелкое зерно, что, в сочетании с повышенной чистотой шихты, обеспечивает повышение пластичности металла лопатки в 1,5-1,7 раза. При этом морфология карбидной фазы изменяется от формы «китайский шрифт» и глыбообразных выделений до компактной округлой формы, равномерно расположенных по границам зерен и в междудендритных пространствах.
Сплав по изобретению обладает повышенной стабильностью на ресурс (показатели Mdy крит≤0,928 и Nv≤2,37 меньше критических значений), не прогнозируется выпадение охрупчивающей σ-фазы. При примерно одинаковых значениях жаропрочности в области рабочих температур 750-850°C сплав по изобретению имеет повышенную пластичность, на ≈10% более высокую коррозионную стойкость и минимальный разброс механических свойств, по сравнению с наиболее близким аналогом.
lg Metall loss (JN792=-0,26)
lg corros Rate (JN792-0,1)
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
СОСТАВ ШИХТОВОЙ ЗАГОТОВКИ ЖАРОПРОЧНОГО СПЛАВА НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ С РАВНООСНОЙ СТРУКТУРОЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ РАБОЧИХ ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК | 2014 |
|
RU2562202C1 |
ЖАРОПРОЧНЫЙ КОРРОЗИОННО-СТОЙКИЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ ДЛЯ ЛИТЬЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ РАБОЧИХ И СОПЛОВЫХ ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК | 2018 |
|
RU2678353C1 |
ЛОПАТКА ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ ИЗ ЖАРОПРОЧНОГО СПЛАВА НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ | 2014 |
|
RU2581339C1 |
ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ ДЛЯ ЛИТЬЯ РАБОЧИХ ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК | 2018 |
|
RU2678352C1 |
ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК И СПОСОБ ЕГО ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ | 2014 |
|
RU2539643C1 |
ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ ДЛЯ ЛИТЬЯ ДЕТАЛЕЙ ГОРЯЧЕГО ТРАКТА ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК, ИМЕЮЩИХ РАВНООСНУЮ СТРУКТУРУ | 2015 |
|
RU2581337C1 |
ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ ДЛЯ ЛИТЬЯ С РАВНООСНОЙ СТРУКТУРОЙ ИНТЕГРАЛЬНЫХ КОЛЕС И РАБОЧИХ ЛОПАТОК | 2015 |
|
RU2585148C1 |
ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ ДЛЯ ЛИТЬЯ СОПЛОВЫХ ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК | 2017 |
|
RU2636338C1 |
ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ ДЛЯ ЛИТЬЯ РАБОЧИХ ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК | 2014 |
|
RU2542194C1 |
ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ ДЛЯ ЛИТЬЯ РАБОЧИХ ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК | 2013 |
|
RU2524515C1 |
Изобретение относится к металлургии, в частности к литейным коррозионностойким жаропрочным сплавам на основе никеля, и может быть использовано для изготовления литьем деталей горячего тракта газотурбинных установок (ГТУ), работающих в агрессивных средах природного газа при температурах 600-890°C. Жаропрочный сплав на основе никеля для изготовления лопаток газотурбинных установок содержит, мас.%: углерод 0,08-0,11; хром 14,6-15,1; кобальт 8,5-8,9; вольфрам 6,5-6,9; молибден 0,3-0,6; алюминий 3,9-4,1; титан 3,6-3,8; бор 0,010-0,013; кальций 0,01-0,20; кремний ≤0,1; марганец 0,15-0,30; сера ≤0,005; фосфор ≤0,005; магний 0,01-0,20; медь ≤0,05; азот 10-20 ppm; кислород 10-15 ppm, no меньшей мере, два элемента, выбранных из группы: железо ≤0,2; ванадий ≤0,10 и барий ≤0,01, никель - остальное. Сплав характеризуется повышенными значениями пластичности, коррозионной стойкости, обеспечивается высокая структурная стабильность. 2 табл., 3 пр.
Жаропрочный сплав на основе никеля для изготовления лопаток газотурбинных установок, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, титан, бор, кальций, кремний, марганец, серу, фосфор и никель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит магний, медь, азот и кислород и по меньшей мере два элемента, выбранных из группы: железо, ванадий и барий, при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,08-0,11; хром 14,6-15,1; кобальт 8,5-8,9; вольфрам 6,5-6,9; молибден 0,3-0,6; алюминий 3,9-4,1; титан 3,6-3,8; бор 0,010-0,013; кальций 0,01-0,20; кремний ≤0,1; марганец 0,15-0,30; сера ≤0,005; фосфор ≤0,005; магний 0,01-0,20; медь ≤0,05; азот 10-20 ppm; кислород 10-15 ppm и по меньшей мере два элемента, выбранных из группы: железо ≤0,2; ванадий ≤0,10 и барий ≤0,01, никель - остальное.
Жаропрочный сплав на основе никеля | 1982 |
|
SU1072497A1 |
СПЛАВ ДЛЯ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ | 2005 |
|
RU2377336C2 |
ЛИТЕЙНЫЙ ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ | 2010 |
|
RU2434069C1 |
Пресс для выдавливания из деревянных дисков заготовок для ниточных катушек | 1923 |
|
SU2007A1 |
СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА КОНСЕРВОВ ИЗ ОВОЩНОГО ПЕРЦА | 2005 |
|
RU2298946C1 |
Авторы
Даты
2015-01-10—Публикация
2014-02-19—Подача