СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ, ПРИМЕНЕНИЕ И СПОСОБ Российский патент 2015 года по МПК C22C19/05 B23K35/30 

Изобретение касается суперсплава на основе никеля, который, в частности, может применяться для сварки.

Материалы на основе никеля известны, в частности, по турбинным лопаткам газовых турбин и при высоких температурах обладают высокими прочностями. Суперсплавы на основе никеля должны также обладать низкой чувствительностью к трещинам, т.е. высокой пластичностью.

В US 3615376 описывается Rene 80.

Такое же свойство требуется также от сплавов, которые применяются для сварки суперсплавов на основе никеля. Часто в сваренной области возникают трещины, чего, однако, следует избегать.

Поэтому задачей изобретения является решить вышеназванную проблему.

Задача решается с помощью сплава, применения и способа согласно изобретению.

В зависимых пунктах формулы изобретения перечислены другие предпочтительные меры, которые могут произвольно комбинироваться друг с другом для достижения других преимуществ.

Сплав обладает хорошими свойствами при высоких температурах.

Также он может применяться в качестве сплава для сварки, причем тогда возможности ремонта конструктивных элементов из Rene 80 улучшаются, доля брака сокращается, качество сварки, в частности при ручной сварке, улучшается, а также при автоматизированном способе приводит к сокращению издержек на единицу продукции. При способе лазерной наплавки он предпочтительным образом применяется для подлежащих сварке материалов, чувствительных к горячим трещинам.

Кроме того, отсутствует необходимость в подогреве или перестаривании конструктивных элементов, что часто выполняется при сварке, так что и здесь происходит снижение затрат, потому что не должны производиться никакие аппаратные затраты и затрачиваться время на термообработку.

Это возможно, так как небольшие доли упрочнителя границ зерен в этом сплаве в качестве сварочного материала или в качестве субстрата сокращают опасность трещин при нагреве и охлаждении и во время сварки, благодаря чему свариваемость повышается.

Показано:

фиг. 1 - турбинная лопатка;

фиг. 2 - топочная камера;

фиг. 3 - газовая турбина;

фиг. 4 - перечень суперсплавов.

Фигуры и описание представляют собой только примеры осуществления изобретения.

Сплав на основе никеля содержит по меньшей мере (в вес.%):

углерод (C) 0,13-0,2,

хром (Cr) 13,5-14,5,

кобальт (Co) 9,0-10,0,

молибден (Mo) 1,5-2,4,

вольфрам (W) 3,4-4,0,

титан (Ti) 4,6-5,0,

алюминий (Al) 2,6-3,0,

бор (B) 0,005-0,008,

в частности, остаток никеля (Ni),

опционально

ниобий (Nb) макс. 0,1,

тантал (Ta) макс. 0,1,

цирконий (Zr) макс. 0,05,

в частности, по меньшей мере 0,02,

гафний (Hf) макс. 0,1,

кремний (Si) макс. 0,1,

марганец (Mn) макс. 0,1,

и примеси,

в частности фосфор (P), железо (Fe), серу (S), ванадий (V), медь (Cu), свинец (Pb), висмут (Bi), селен (Se), теллур (Te), таллий (Tl), магний (Mg), азот (N), серебро (Ag).

Указание «макс.» означает, что этот элемент сплава чаще всего имеется в сплаве и является приемлемым до максимального значения.

«Примесь» означает, что доля этого элемента/этих элементов сплава должна быть снижена до минимума.

Без таких добавок, как тантал (Ta), кремний (Si), ниобий (Nb), гафний (Hf), марганец (Mn) и/или рений (Re), можно предпочтительным образом обойтись.

Предпочтительным образом обходятся без других элементов, понижающих точку плавления, которыми являются также галлий (Ga) и/или германий (Ge).

Благодаря низким долям бора и молибдена образуется меньше боридов или соответственно карбидов и сульфидов, образующих на границах зерен легкоплавкие фазы, которые в ином случае способствовали бы образованию трещин. Так, способ сварки, в частности способ порошковой сварки, может выполняться при комнатной температуре.

Сплав может применяться в качестве материала субстрата для высокотемпературных конструктивных элементов, таких как конструктивные элементы турбины.

Также сплав может применяться в качестве сплава для сварки субстратов, в частности из Rene 80 или других суперсплавов на основе никеля, совсем, в частности, сплавов в соответствии с фиг. 4.

На фиг. 1 показан вид в перспективе рабочей лопатки 120 или направляющей лопатки 130 гидравлической машины, которая распространяется вдоль продольной оси 121.

Гидравлическая машина может быть газовой турбиной самолета или электростанции для выработки электричества, паровой турбиной или компрессором.

Лопатка 120, 130 имеет вдоль продольной оси 121 последовательно область 400 крепления, граничащую с ней платформу 403 лопатки, а также рабочую часть 406 лопатки и вершину 415 лопатки.

В качестве направляющей лопатки 130 лопатка 130 может иметь на своей вершине 415 другую платформу (не изображена).

В области 400 крепления выполнена ножка 183 лопатки, которая служит для крепления рабочих лопаток 120, 130 к валу или диску (не изображено).

Ножка 183 лопатки выполнена, например, в виде Т-образной ножки. Возможны другие варианты осуществления ножки в виде елки или в виде ласточкина хвоста.

Лопатка 120, 130 имеет входную кромку 409 и выходную кромку 412 для среды, которая протекает по рабочей части 406 лопатки.

У традиционных лопаток 120, 130 во всех областях 400, 403, 406 лопатки 120, 130 применяются, например, цельные металлические материалы, в частности суперсплавы.

Такие суперсплавы известны, например, из EP 1204776 B1, EP 1306454, EP 1319729 A1, WO 99/67435 или WO 00/44949.

Лопатка 120, 130 может быть при этом изготовлена способом литья, также посредством направленной кристаллизации, способом ковки, способом фрезерования или посредством их комбинации.

Заготовки с монокристаллической структурой или структурами применяются в качестве конструктивных элементов для машин, которые при эксплуатации подвергаются высоким механическим, тепловым и/или химическим нагрузкам.

Изготовление такого рода монокристаллических заготовок осуществляется, например, посредством направленной кристаллизации из расплава. При этом речь идет о способах литья, при которых жидкий металлический сплав кристаллизуется с получением монокристаллической структуры, т. е. монокристаллической заготовки, или направленно.

При этом дендритные кристаллы ориентируются вдоль теплового потока и образуют либо столбчатую кристаллическую зернистую структуру (колоннообразно, т.е. зерна, которые проходят по всей длине заготовки и здесь, выражаясь общепринятым языком, называются направленно кристаллизованными), или монокристаллическую структуру, т.е. вся заготовка состоит из одного единственного кристалла. В этих способах необходимо избегать перехода к глобулярной (поликристаллической) кристаллизации, так как при ненаправленном росте обязательно образуются поперечные и продольные границы зерен, которые сводят на нет хорошие свойства направленно кристаллизованного или монокристаллического конструктивного элемента.

Если речь идет о направленно кристаллизованных структурах вообще, то под ними подразумеваются как монокристаллы, которые не имеют границ зерен или, в крайнем случае, имеют границы зерен с малыми углами, так и столбчатые кристаллические структуры, у которых, может быть, имеются проходящие в продольном направлении границы зерен, но нет поперечных границ зерен. В случае этих, названных во вторую очередь кристаллических структур также говорят о направленно кристаллизованных структурах (directionally solidified structures).

Такие способы известны из US-PS 6024792 и ЕР 0892090 А1. Лопатки 120, 130 могут также иметь покрытия от коррозии или окисления, например (MCrAlX; М представляет собой по меньшей мере один элемент из группы железо (Fe), кобальт (Со), никель (Ni), X является активным элементом и обозначает иттрий (Y) и/или кремний, скандий (Sc) и/или по меньшей мере один элемент из редких земель или соответственно гафний). Такие сплавы известны из ЕР 0486489 В1, ЕР 0786017 В1, ЕР 0412397 В1 или ЕР 1306454 А1.

Плотность составляет предпочтительно около 95% от теоретической плотности.

На слое MCrAlX (как промежуточном слое или крайнем наружном слое) образуется защитный слой окиси алюминия (TGO=thermal grown oxide layer, термически выращенный оксидный слой).

Предпочтительно состав слоя представляет собой Co-30Ni-28Cr-8Al-0,6Y-0,7Si или Co-28Ni-24Cr-10Al-0,6Y. Наряду с этими защитными покрытиями на основе кобальта применяются также предпочтительно защитные слои на основе никеля, такие как Ni-10Cr-12Al-0,6Y-3Re или Ni-12Co-21Cr-11Al-0,4Y-2Re или Ni-25Co-17Cr-10Al-0,4Y-1,5Re.

Ha MCrAlX может также находиться теплоизоляционный слой, который предпочтительно является крайним наружным слоем, и состоит, например, из ZrO₂, Y₂O₃-ZrO₂, т.е. он не стабилизирован, частично или полностью, окисью иттрия и/или окисью кальция и/или окисью магния.

Теплоизоляционный слой покрывает весь слой MCrAlX.

С помощью надлежащих способов нанесения покрытий, таких как, например, электронно-лучевое нанесение покрытий методом осаждения из паровой фазы (EB-PVD), получаются зерна столбчатой формы в теплоизоляционном слое.

Возможны другие способы нанесения покрытий, например атмосферное плазменное напыление (APS), LPPS (плазменное напыление при низком давлении), VPS (вакуумно-плазменное напыление или CVD (химическое парофазное осаждение). Для улучшения стойкости к тепловому удару теплоизоляционный слой может содержать пористые, имеющие микро- или макротрещины зерна. То есть теплоизоляционный слой предпочтительно является более пористым, чем слой MCrAlX.

Восстановление (обновление) означает, что конструктивные элементы 120, 130 после их применения при необходимости должны освобождаться от защитных слоев (например, посредством пескоструйной обработки). После этого происходит удаление коррозионных и/или оксидных слоев или соответственно продуктов. При необходимости происходит также ремонт трещин в конструктивном элементе 120, 130. После этого происходит повторное нанесение покрытия на конструктивный элемент 120, 130 и повторное применение конструктивного элемента 120, 130.

Лопатка 120, 130 может быть выполнена полой или цельной. При необходимости охлаждения лопатки 120, 130 она является полой и при необходимости имеет также отверстия 418 для пленочного охлаждения (обозначены штриховой линией).

На фиг. 2 показана топочная камера 110 газовой турбины. Топочная камера 110 выполнена, например, в виде так называемой кольцевой топочной камеры, у которой множество расположенных в окружном направлении вокруг оси 102 вращения горелок 107, которые создают пламя 156, впадают в одно общее пространство 154 топочной камеры. Для этого топочная камера 110 выполнена в совокупности в виде кольцеобразной структуры, которая расположена вокруг оси 102 вращения.

Для достижения сравнительно высокого коэффициента полезного действия топочная камера 110 рассчитана на сравнительно высокую температуру рабочей среды М, составляющую примерно от 1000°C до 1600°C. Чтобы даже при этих неблагоприятных для материалов рабочих параметрах обеспечить возможность сравнительно долгого срока эксплуатации, стенка 153 топочной камеры на своей обращенной к рабочей среде М стороне снабжена внутренней футеровкой, образованной из элементов 155 теплозащитного экрана.

Каждый элемент 155 теплозащитного экрана, изготовленный из сплава, оснащен со стороны рабочей среды особенно жаропрочным защитным слоем (слой MCrAlX и/или керамическое покрытие) или изготовлен из высокожаропрочного материала (цельные керамические кирпичи).

Эти защитные слои 7 могут быть аналогичны лопаткам турбины, то есть, например, MCrAlX означает: М представляет собой по меньшей мере один элемент из группы железо (Fe), кобальт (Со), никель (Ni), X является активным элементом и обозначает иттрий (Y) и/или кремний и/или по меньшей мере один элемент из редкоземельных или соответственно гафний (Hf). Такие сплавы известны из ЕР 0486489 В1, ЕР 0786017 В1, ЕР 0412397 В1 или ЕР 1306454 А1.

На MCrAlX может также находиться, например, керамический теплоизоляционный слой, который состоит, например, из ZrO₂, Y₂O₃-ZrO₂, т.е. он не стабилизирован, частично или полностью, окисью иттрия, и/или окисью кальция, и/или окисью магния.

С помощью надлежащих способов нанесения покрытия, таких как, например, электронно-лучевое нанесение покрытий методом осаждения из паровой фазы (EB-PVD), получаются зерна столбчатой формы в теплоизоляционном слое.

Возможны другие способы нанесения покрытий, например атмосферное плазменное напыление (APS), LPPS, VPS или CVD. Для улучшения стойкости к тепловому удару теплоизоляционный слой может содержать пористые, имеющие микро- или макротрещины зерна.

Восстановление (обновление) означает, что элементы 155 теплозащитного экрана после их применения при необходимости должны освобождаться от защитных слоев (например, посредством пескоструйной обработки). После этого происходит удаление коррозионных и/или оксидных слоев или соответственно продуктов. При необходимости происходит также ремонт трещин в элементе 155 теплозащитного экрана. После этого происходит повторное нанесение покрытия на элементы 155 теплозащитного экрана и повторное применение элементов 155 теплозащитного экрана.

В связи с высокими температурами внутри топочной камеры 110 для элементов 115 теплозащитного экрана или соответственно для элементов их крепления может быть предусмотрена система охлаждения. Тогда элементы 115 теплозащитного экрана являются, например, полыми и при необходимости имеют также впадающие в пространство 154 топочной камеры отверстия для охлаждения (не изображены).

Изобретение относится к металлургии, в частности к суперсплавам на основе никеля, которые могут быть использованы при сварке. Сплав на основе никеля содержит, вес.%: С 0,13-0,2, Cr 13,5-14,5, Со 9,0-10,0, Мо 1,5-2,4, W 3,4-4,0, Ti 4,6-5,0, Al 2,6-3,0, В 0,005-0,008, при необходимости Nb макс. 0,1, Та макс. 0,1, Zr макс. 0,05, в частности по меньшей мере 0,02, Hf макс. 0,1, Si макс.0,1, Mn макс. 0,1, и примеси, в частности Р, Fe, S, V, Cu, Pb, Bi, Se, Те, Tl, Mg, N, Ag, Ni - остальное. Предотвращается появление горячих трещин при сварке. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Сплав на основе никеля, содержащий, вес. %:
углерод (С) 0,13-0,2,
хром (Cr) 13,5-14,5,
кобальт (Со) 9,0-10,0,
молибден (Мо) 1,5-2,4,
вольфрам (W) 3,4-4,0,
титан (Ti) 4,6-5,0,
алюминий (Al) 2,6-3,0,
бор (В) 0,005-0,008,
при необходимости
ниобий (Nb) макс. 0,1,
тантал(Та) макс. 0,1,
цирконий (Zr) макс. 0,05, в частности по меньшей мере 0,02,
гафний (Hf) макс. 0,1,
кремний (Si) макс. 0,1,
марганец (Mn) макс. 0,1,
и примеси,
в частности фосфор (Р), железо (Fe), серу (S), ванадий (V), медь (Cu), свинец (Pb), висмут (Bi), селен (Se), теллур (Те), таллий (Tl), магний (Mg), азот (N) и серебро (Ag) никель (Ni) - остальное.

2. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что он содержит, вес. %, в частности, ±5%:
0,15 углерода (С),
14,3 хрома (Cr),
9,5 кобальта (Со),
1,7 молибдена (Мо),

3.7 вольфрама (W),

4.8 титана (Ti),
2,8 алюминия (Al),
0,0075 бора (В),
при необходимости
0,025 циркония (Zr),
никель (Ni) - остальное.

3. Применение сплава на основе никеля по п. 1 или 2 в качестве присадочного материала для сварки сплавов на основе никеля и кобальта.

4. Применение по п. 3, отличающееся тем, что сплав используют в качестве присадочного материала для сварки сплава Rene 80.

5. Способ ремонта конструктивного элемента турбины, выполненного из сплава на основе никеля или кобальта, включающий удаление защитного слоя с конструктивного элемента, проведение заварки трещин и нанесение защитного слоя, отличающийся тем, что заварку трещин проводят с использованием присадочного материала из сплава на основе никеля по п. 1 или 2.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что заварку трещин осуществляют порошковой наплавкой.

7. Способ по п. 5, отличающийся тем, что заварку трещин осуществляют при комнатной температуре.

8. Способ по п. 5, отличающийся тем, что конструктивный элемент выполнен из сплава Rene 80.