ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК Российский патент 2015 года по МПК C22C19/05 

Описание патента на изобретение RU2538054C1

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.

Таблица 1 Химический состав сплавов для литья лопаток Содержание компонентов, мас.% Известный сплав Сплав по изобретению Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3 углерод 0,07-0,15 0,08-0,11 0,08-0,11 0,08-0,11 хром 12,5-14,0 14,6-15,1 14,6-15,1 14,6-15,1 кобальт 4,0-6,0 8,5-8,9 8,5-8,9 8,5-8,9 вольфрам 4,0-6,0 6,5-6,9 6,5-6,9 6,5-6,9 молибден 1,5-2,5 0,3-0,6 0,3-0,6 0,3-0,6 алюминий 2,8-3,2 3,9-4,1 3,9-4,1 3,9-4,1 титан 4,5-5,5 3,6-3,8 3,6-3,8 3,6-3,8 бор 0,01-0,05 0,010-0,013 0,010-0,013 0,010-0,013 церий 0,02-0,05 - - - ниобий 0,05-1,0 - - - кальций 0,005-0,01 0,01-0,02 0,01-0,02 0,01-0,02 цирконий 0,005-0,01 - - - кремний 0,4 ≤0,1 ≤0,1 ≤0,1 марганец 0,4 0,15-0,30 0,15-0,30 0,15-0,30 сера ≤0,01 ≤0,005 ≤0,005 ≤0,005 фосфор ≤0,015 ≤0,005 ≤0,005 ≤0,005 магний - 0,01-0,20 0,01-0,20 0,01-0,20 медь - ≤0,05 ≤0,05 ≤0,05 азот - 10-20 ppm 10-20 ppm 10-20 ppm кислород - 10-15 ppm 10-15 ppm 10-15 ppm железо - ≤0,20 0,12 - ванадии - - ≤0,10 ≤0,10 барий - ≤0,01 - ≤0,01 никель остальное остальное остальное остальное

Таблица 2 Жаропрочные сплавы с равноосной структурой лопаток Характеристики сплава Известный сплав Сплав по изобретению Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3 1. Упрочняющая γ'-фаза 49,2 47,8 47,8 47,6 1.1. Объем γ'-фазы, ат.% 1.2. Суммарное содержание титана и алюминия, мас.% 8,0 7,85 7,85 7,85 1.3. Сольвус Тγ', °C осредненный 1231 1194 1197 1192 1.4. Степень залегированности γ'-фазы 1,059 0,947 0,947 0,952 1.5. Mismach при 850°C -0,003 -0,004 -0,003 -0,003 1.6. Количество неравновесной эвтектической γ'-фазы, межось-литой, % 1-2 1-2 1-2 1-2 2. Энергия дефектов упаковки в γ-фазе 2,233 1,906 1,906 1,904 3. Плотность, т/м3 8,22 8,18 8,18 8,18 4. Структурная стабильность ФАКОМП, 0,920 0 920 0 920 0 920 4.1. Mdy крит≤0,928 осредненный с ТО 4.2. литой без ТО: межось 0,899 0,918 0,918 0,918 5. Длительная прочность 1) σ   10 3 760 ° C 480 501 499 502 2) σ   10 3 850 ° C 268 260 262 263 3) σ   10 3 900 ° C 183 176 177 175 4) σ   10 2 982 ° C 142 140 136 138 6. Сравнительная коррозионная стойкость
lg Metall loss (JN792=-0,26)
lg corros Rate (JN792-0,1)
-1,133 -1.246 -1,245 -1,248
0,201 0,147 0,150 0,148 7. Цена шихты (условная), $/т 10780 11210 11213 11208

Похожие патенты RU2538054C1

название год авторы номер документа
СОСТАВ ШИХТОВОЙ ЗАГОТОВКИ ЖАРОПРОЧНОГО СПЛАВА НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ С РАВНООСНОЙ СТРУКТУРОЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ РАБОЧИХ ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК 2014
  • Авдюхин Сергей Павлович
  • Дуб Алексей Владимирович
  • Ковалев Геннадий Дмитриевич
  • Кульмизев Александр Евгеньевич
  • Лубенец Владимир Платонович
  • Скоробогатых Владимир Николаевич
RU2562202C1
ЖАРОПРОЧНЫЙ КОРРОЗИОННО-СТОЙКИЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ ДЛЯ ЛИТЬЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ РАБОЧИХ И СОПЛОВЫХ ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК 2018
  • Лубенец Владимир Платонович
  • Кац Эдуард Лейбович
  • Скоробогатых Владимир Николаевич
  • Логашов Сергей Юрьевич
  • Смыков Андрей Федорович
  • Берестевич Артур Иванович
  • Стогов Владимир Сергеевич
RU2678353C1
ЛОПАТКА ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ ИЗ ЖАРОПРОЧНОГО СПЛАВА НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ 2014
  • Авдюхин Сергей Павлович
  • Гасуль Михаил Рафаилович
  • Ковалев Геннадий Дмитриевич
  • Михайлов Владимир Евгеньевич
  • Кульмизев Александр Евгеньевич
  • Лубенец Владимир Платонович
  • Пахоменков Александр Владимирович
  • Скирта Сергей Михайлович
  • Скоробогатых Владимир Николаевич
  • Логашов Сергей Юрьевич
RU2581339C1
ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ ДЛЯ ЛИТЬЯ РАБОЧИХ ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК 2018
  • Лубенец Владимир Платонович
  • Скоробогатых Владимир Николаевич
  • Берестевич Артур Иванович
  • Логашов Сергей Юрьевич
  • Кульмизев Александр Евгеньевич
RU2678352C1
ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК И СПОСОБ ЕГО ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ 2014
  • Авдюхин Сергей Павлович
  • Дуб Алексей Владимирович
  • Квасницкая Юлия Георгиевна
  • Ковалев Геннадий Дмитриевич
  • Кульмизев Александр Евгеньевич
  • Лубенец Владимир Платонович
  • Мяльница Георгий Филиппович
  • Скоробогатых Владимир Николаевич
RU2539643C1
ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ ДЛЯ ЛИТЬЯ ДЕТАЛЕЙ ГОРЯЧЕГО ТРАКТА ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК, ИМЕЮЩИХ РАВНООСНУЮ СТРУКТУРУ 2015
  • Авдюхин Сергей Павлович
  • Берестевич Артур Иванович
  • Гасуль Михаил Рафаилович
  • Ковалев Геннадий Дмитриевич
  • Логашов Сергей Юрьевич
  • Лубенец Владимир Платонович
  • Скоробогатых Владимир Николаевич
  • Соболев Александр Алексеевич
  • Яковлев Евгений Игоревич
RU2581337C1
ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ ДЛЯ ЛИТЬЯ С РАВНООСНОЙ СТРУКТУРОЙ ИНТЕГРАЛЬНЫХ КОЛЕС И РАБОЧИХ ЛОПАТОК 2015
  • Авдюхин Сергей Павлович
  • Гнездилов Сергей Михайлович
  • Ковалев Геннадий Дмитриевич
  • Кульмизев Александр Евгеньевич
  • Логашов Сергей Юрьевич
  • Лубенец Владимир Платонович
  • Скоробогатых Владимир Николаевич
RU2585148C1
ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ ДЛЯ ЛИТЬЯ СОПЛОВЫХ ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК 2017
  • Скоробогатых Владимир Николаевич
  • Лубенец Владимир Платонович
  • Логашов Сергей Юрьевич
RU2636338C1
ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ ДЛЯ ЛИТЬЯ РАБОЧИХ ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК 2014
  • Авдюхин Сергей Павлович
  • Дуб Алексей Владимирович
  • Квасницкая Юлия Георгиевна
  • Ковалев Геннадий Дмитриевич
  • Кульмизев Александр Евгеньевич
  • Лубенец Владимир Платонович
  • Скоробогатых Владимир Николаевич
RU2542194C1
ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ ДЛЯ ЛИТЬЯ РАБОЧИХ ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК 2013
  • Лубенец Владимир Платонович
  • Дуб Алексей Владимирович
  • Скоробогатых Владимир Николаевич
  • Кац Эдуард Лейбович
  • Кульмизев Александр Евгеньевич
  • Квасницкая Юлия Георгиевна
  • Яковлев Евгений Игоревич
RU2524515C1

Реферат патента 2015 года ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

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.

Формула изобретения RU 2 538 054 C1

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.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2015 года RU2538054C1

Жаропрочный сплав на основе никеля 1982
  • Андриенко А.Г.
  • Беликов С.Б.
  • Боровский А.В.
  • Грибов Н.Н.
  • Дудник Г.И.
  • Коваль А.Д.
  • Масалева Е.Н.
  • Мяльница Г.Ф.
  • Натапова А.Б.
  • Писарев Б.К.
  • Розанов Е.И.
  • Романов В.И.
  • Ртищев В.В.
  • Сизов Б.В.
  • Чивиксин Я.Е.
  • Чирков Б.И.
  • Шопов И.И.
SU1072497A1
СПЛАВ ДЛЯ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ 2005
  • Пайк Ли М. Мл.
RU2377336C2
ЛИТЕЙНЫЙ ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ 2010
  • Петрушин Николай Васильевич
  • Оспенникова Ольга Геннадиевна
  • Митрушкин Алексей Анатольевич
  • Рассохина Лидия Ивановна
RU2434069C1
Пресс для выдавливания из деревянных дисков заготовок для ниточных катушек 1923
  • Григорьев П.Н.
SU2007A1
СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА КОНСЕРВОВ ИЗ ОВОЩНОГО ПЕРЦА 2005
  • Пенто Владимир Борисович
  • Квасенков Олег Иванович
RU2298946C1

RU 2 538 054 C1

Авторы

Авдюхин Сергей Павлович

Дуб Алексей Владимирович

Квасницкая Юлия Георгиевна

Ковалев Геннадий Дмитриевич

Кульмизев Александр Евгеньевич

Лубенец Владимир Платонович

Скоробогатых Владимир Николаевич

Даты

2015-01-10Публикация

2014-02-19Подача