Жаропрочный литейный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него Российский патент 2018 года по МПК C22C19/05 

Описание патента на изобретение RU2656908C1

Изобретение относится к области металлургии, в частности к коррозионностойким жаропрочным сплавам для деталей горячего тракта газотурбинных двигателей и установок, длительно работающих в агрессивных средах при температурах 750-1000°C.

Известен жаропрочный сплав на основе никеля следующего химического состава, 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 0,01-0,013 кальций 0,01-0,20 кремни ≤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 барий ≤0,01 никель остальное

(RU 2538054 С1, 10.01.2015).

Сплав имеет невысокие характеристики длительной и кратковременной прочности, повышенную пористость в отливках и пониженную коррозионную стойкость.

Известен жаропрочный сплав на основе никеля следующего химического состава, мас.%:

углерод 0,05-0,09 хром 15,4-15,8 кобальт 10,0-10,4 вольфрам 5,0-5,3 молибден 1,6-1,8 титан 4,3-4,5 алюминий 3,0-3,2 бор 0,06-0,09 цирконий <0,015 гафний 0,2-0,3 кремний <0,1 железо <0,1 медь <0,05 сера <0,005 азот <20 ppm кислород <15 ppm церий <0,015 ниобий 0,1-0,2 иттрий <0,03 марганец <0,1 фосфор <0,005 никель остальное

(RU 2539643 С1, 20.01.2015).

Сплав имеет достаточно высокие прочностные и пластические характеристики, но отличается пониженной структурной стабильностью при длительной работе, связанной с выпадением охрупчивающей σ-фазы, которая существенно понижает жаропрочные свойства сплава и ограничивает ресурс работы двигателя.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является жаропрочный сплав на основе никеля для литья рабочих лопаток газотурбинных установок, содержащий, мас.%:

углерод 0,07-0,12 хром 12,9-13,5 кобальт 5,3-5,9 вольфрам 6,7-7,3 молибден 0,8-1,2 алюминий 3,2-3,5 титан 4,4-4,7 бор 0,010-0,015 медь ≤0,04 сера ≤0,005 фосфор ≤0,005 азот ≤15 ppm кислород ≤15 ppm кальций ≤0,02 магний ≤0,02 марганец 0,01-0,30,

по меньше мере два элемента, выбранных из группы:

железо, кремний, ≤0,2 каждого, барий

по меньше мере два элемента, выбранных из группы:

иттрий, лантан, неодим и самарий 0,005-0,05 каждого

никель остальное

(RU 2562202 С1, 10.09.2015).

Сплав, взятый за прототип, имеет удовлетворительную коррозионную стойкость в агрессивных средах при рабочих температурах 750-1000°C и достаточно высокие характеристики кратковременной прочности и пластичности, однако он имеет невысокие характеристики длительной прочности при испытаниях на базе 500-1000 часов, а также невысокую технологичность (выход годного) при отливке деталей.

Таким образом, известные сплавы при рабочих температурах 750-1000°C не обладают оптимальным сочетанием служебных свойств (жаропрочность, пластичность, сопротивление высокотемпературной коррозии, структурно-фазовая стабильность в процессе эксплуатации), а также высокой технологичностью при отливке деталей.

Задачей предложенного изобретения является разработка жаропрочного литейного сплава на основе никеля с оптимизированным сочетанием служебных свойств и высокой технологичностью.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение характеристик длительной прочности при рабочих температурах до 1000°C в сочетании с высоким сопротивлением сплава коррозионному воздействию в агрессивных средах, а также повышенная фазово-структурная стабильность сплава при длительном режиме работы (более 500 часов).

Для достижения технического результата предложен жаропрочный литейный сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, титан, лантан, иттрий, барий, кальций, магний, бор, при этом он дополнительно содержит церий, празеодим, рений, гафний и цирконий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод до 0,15 хром 12-15 кобальт 3-7 вольфрам 5-9 молибден 0,5-2 алюминий 2-5 титан 3-6 лантан до 0,20 иттрий до 0,20 церий до 0,20 празеодим до 0,20 рений до 0,20 гафний до 0,10 барий до 0,10 кальций до 0,10 магний до 0,10 бор до 0,02 цирконий до 0,10

никель остальное

Также предложено изделие, выполненное из данного сплава.

По сравнению со сплавом-прототипом в предлагаемом сплаве содержатся небольшие строго регламентированные количества церия, празеодима, рения, гафния и циркония.

Было установлено, что комплексное введение в сплав, содержащий лантан и иттрий, церия и празеодима позволило дополнительно повысить коррозионную стойкость и эксплуатационную надежность сплава при температурах 750-1000°C за счет создания на поверхности металла надежного защитного барьерного слоя.

Комплексное легирование сплава лантаном, иттрием, церием и празеодимом позволило также повысить характеристики длительной прочности сплава за счет дополнительного упрочнения γ-твердого раствора ультрадисперсными наночастицами размером до 100 нм.

Рений дополнительно упрочняет γ-твердый раствор, замедляет диффузионные процессы при высокотемпературной ползучести и тем самым способствует повышению жаропрочности. Кроме того, рений совместно с лантаном, иттрием, церием и празеодимом позволяет повысить структурную стабильность сплава в процессе эксплуатации и исключить образования в структуре охрупчивающих фаз типа σ и μ.

Введение гафния и циркония позволяет нейтрализовать вредное влияние примесей серы, фосфора, кислорода и других за счет их связывания в тугоплавкие, химически стойкие соединения. Кроме того, гафний и цирконий входят в состав γ'-фазы и дополнительно ее стабилизируют, тем самым обеспечивая повышение длительной прочности.

Предлагаемый сплав может быть использован для получения деталей как с равноосной, так с направленной и монокристаллической структурой.

Примеры осуществления.

В вакуумной индукционной печи было выплавлено пять сплавов предлагаемого состава и один сплав состава, взятого за прототип. Полученные заготовки были переплавлены в установке направленной кристаллизации и отлиты керамические блоки с заготовками под образцы с монокристаллической структурой с кристаллографической ориентацией.

Из заготовок после проведения термической обработки были изготовлены образцы для проведения испытаний на длительную прочность, а также образцы для испытаний на сульфидно-оксидную и хлоридную коррозию.

Испытания на длительную прочность проводили при температуре 870°C и напряжениях 360 и 275 МПа на базе соответственно 100 и 1000 часов, при температуре 900°C и напряжении 295 МПа на базе 500 часов, а также при температуре 1000°C и напряжении 120 МПа на базе 500 часов.

Испытания на коррозию проводили по циклическому режиму. Один цикл испытаний включал:

- создание на горячей поверхности образцов солевой корки водного раствора смеси солей 75% Na2SO4+25% NaCl (для сульфидно-оксидной коррозии) или 3,5% водного раствора NaCl (для хлоридной коррозии);

- выдержка образцов при Т=850°C в течение 1 часа в нагревательной печи;

- охлаждение на воздухе.

Общая продолжительность испытаний - 30 циклов.

Оценку стойкости образцов к коррозии проводили по удельному изменению (убыли) массы путем взвешивания образцов через каждые 5 циклов.

Содержание компонентов (мас. %) в сплавах и результаты испытаний на длительную прочность и коррозию приведены в таблицах 1 и 2 соответственно.

Полученные результаты испытаний свидетельствуют, что долговечность предлагаемого сплава при испытаниях на длительную прочность при всех режимах заметно превосходит долговечность сплава-прототипа, т.е. предлагаемый сплав обладает более высоким уровнем жаропрочности.

Предлагаемый сплав обладает высокой коррозионной стойкостью при температуре испытаний 850°C в сравнении со сплавом-прототипом: удельное изменение (убыль) массы образцов как при сульфидно-оксидной, так и при хлоридной коррозии практически в 2 раза меньше, чем у сплава-прототипа.

Проведенный металлографический анализ структуры разрушенных образцов после испытаний на длительную прочность на базе 500-1000 часов не выявил в ней охрупчивающих ТПУ-фаз (σ, μ и др.), что свидетельствует о высокой фазовой и структурной стабильности предлагаемого сплава.

При отливке монокристаллических лопаток турбины из предлагаемого сплава была подтверждена его хорошая технологичность - выход годного лопаток по отклонениям от КГО составил 85-90%.

Таким образом, предлагаемый сплав существенно превосходит сплав-прототип по долговечности и коррозионной стойкости, обладает высокой фазово-структурной стабильностью, что позволяет повысить ресурс работы и надежность деталей газотурбинных двигателей и установок, которые длительно эксплуатируются в агрессивных средах при повышенных температурах и напряжениях.

Похожие патенты RU2656908C1

название год авторы номер документа
Жаропрочный литейный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него 2018
  • Каблов Евгений Николаевич
  • Сидоров Виктор Васильевич
  • Каблов Дмитрий Евгеньевич
  • Мин Павел Георгиевич
  • Вадеев Виталий Евгеньевич
RU2672463C1
Жаропрочный литейный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него 2018
  • Каблов Евгений Николаевич
  • Мин Павел Георгиевич
  • Вадеев Виталий Евгеньевич
RU2674274C1
Жаропрочный литейный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него 2018
  • Каблов Евгений Николаевич
  • Сидоров Виктор Васильевич
  • Мин Павел Георгиевич
  • Висик Елена Михайловна
  • Крамер Вадим Владимирович
RU2690623C1
Жаропрочный литейный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него 2020
  • Каблов Евгений Николаевич
  • Мин Павел Георгиевич
  • Оспенникова Ольга Геннадиевна
  • Бакрадзе Михаил Михайлович
  • Вадеев Виталий Евгеньевич
  • Висик Елена Михайловна
  • Крамер Вадим Владимирович
RU2740929C1
Жаропрочный литейный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него 2018
  • Каблов Евгений Николаевич
  • Сидоров Виктор Васильевич
  • Мин Павел Георгиевич
  • Вадеев Виталий Евгеньевич
  • Ечин Александр Борисович
RU2684000C1
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
Жаропрочный литейный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него 2017
  • Каблов Евгений Николаевич
  • Сидоров Виктор Васильевич
  • Каблов Дмитрий Евгеньевич
  • Мин Павел Георгиевич
  • Вадеев Виталий Евгеньевич
RU2655483C1
Жаропрочный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него 2017
  • Каблов Евгений Николаевич
  • Сидоров Виктор Васильевич
  • Каблов Дмитрий Евгеньевич
  • Мин Павел Георгиевич
  • Крамер Вадим Владимирович
RU2655484C1
ЛИТЕЙНЫЙ ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО 2013
  • Каблов Евгений Николаевич
  • Петрушин Николай Васильевич
  • Оспенникова Ольга Геннадиевна
  • Рассохина Лидия Ивановна
  • Подкопаева Лидия Александровна
  • Битюцкая Ольга Николаевна
RU2530932C1
ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ ДЛЯ ЛИТЬЯ РАБОЧИХ ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК 2013
  • Лубенец Владиир Платонович
  • Дуб Алексей Владимирович
  • Скоробогатых Владимир Николаевич
  • Кац Эдуард Лейбович
  • Кульмизев Александр Евгеньевич
  • Яковлев Евгений Игоревич
RU2525883C1

Реферат патента 2018 года Жаропрочный литейный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам на основе никеля, и может быть использовано для изготовления деталей горячего тракта газотурбинных двигателей и установок, длительно работающих при температурах до 1000°C. Жаропрочный литейный сплав на основе никеля содержит, мас.%: углерод до 0,15, хром 12-15, кобальт 3-7, вольфрам 5-9, молибден 0,5-2, алюминий 2-5, титан 3-6, лантан до 0,20, иттрий до 0,20, церий до 0,20, празеодим до 0,20, рений до 0,20, гафний до 0,10, барий до 0,10, кальций до 0,10, магний до 0,10, бор до 0,02, цирконий до 0,10, никель остальное. Сплав характеризуется высокими характеристиками длительной прочности при рабочих температурах до 1000°C и сопротивления сплава коррозионному воздействию в агрессивных средах, а также высокой фазово-структурной стабильностью при длительном режиме работы (более 500 часов). 2 н.п. ф-лы, 2 табл., 5 пр.

Формула изобретения RU 2 656 908 C1

1. Жаропрочный литейный сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, титан, лантан, иттрий, барий, кальций, магний и бор, отличающийся тем, что он дополнительно содержит церий, празеодим, рений, гафний и цирконий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод до 0,15 хром 12-15 кобальт 3-7 вольфрам 5-9 молибден 0,5-2 алюминий 2-5 титан 3-6

лантан до 0,20 иттрий до 0,20

церий до 0,20 празеодим до 0,20 рений до 0,20 гафний до 0,10 барий до 0,10 кальций до 0,10 магний до 0,10 бор до 0,02 цирконий до 0,10

никель остальное

2. Изделие из жаропрочного литейного сплава на основе никеля, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п. 1.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2018 года RU2656908C1

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 НИКЕЛЕВЫЙ СПЛАВ, ОБЛАДАЮЩИЙ ВЫСОКИМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ К СУЛЬФИДНОЙ КОРРОЗИИ В СОЧЕТАНИИ С ВЫСОКОЙ ЖАРОПРОЧНОСТЬЮ 2013
  • Шмотин Юрий Николаевич
  • Старков Роман Юрьевич
  • Лещенко Игорь Алексеевич
  • Данилов Денис Викторович
  • Цатурян Эдуард Ованесович
  • Логунов Александр Вячеславович
  • Захаров Юрий Никитович
RU2520934C1
ЛИТЕЙНЫЙ НИКЕЛЕВЫЙ СПЛАВ С ПОВЫШЕННОЙ ЖАРОПРОЧНОСТЬЮ И СТОЙКОСТЬЮ К СУЛЬФИДНОЙ КОРРОЗИИ 2015
  • Шмотин Юрий Николаевич
  • Гасуль Михаил Рафаилович
  • Заводов Сергей Александрович
  • Данилов Денис Викторович
  • Хрящев Илья Игоревич
  • Лещенко Игорь Алексеевич
  • Логунов Александр Вячеславович
  • Захаров Юрий Николаевич
RU2623940C2
JP 5413543 B1, 12.02.2014
JP 2016056436 A, 21.04.2016
СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭВАКУАЦИИ ВНУТРИХРУСТАЛИКОВЫХ ПУЗЫРЬКОВ ГАЗА В ХИРУРГИИ КАТАРАКТЫ С ФЕМТОЛАЗЕРНЫМ СОПРОВОЖДЕНИЕМ НА КАДАВЕРНЫХ СВИНЫХ ГЛАЗАХ 2019
  • Заболотний Александр Григорьевич
  • Сахнов Сергей Николаевич
  • Онишко Евгений Сергеевич
RU2743362C2

RU 2 656 908 C1

Авторы

Каблов Евгений Николаевич

Сидоров Виктор Васильевич

Мин Павел Георгиевич

Каблов Дмитрий Евгеньевич

Вадеев Виталий Евгеньевич

Крамер Вадим Владимирович

Даты

2018-06-07Публикация

2017-10-05Подача