ЖАРОПРОЧНЫЙ ДЕФОРМИРУЕМЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО Российский патент 2020 года по МПК C22C19/05 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным деформируемым сплавам на основе никеля, и может быть использовано для изготовления деталей газотурбинных двигателей (ГГД), работающих до температуры 800°С.

Основными требованиями, предъявляемыми к этому классу материалов, являются: высокие характеристики кратковременной и длительной прочности, рабочая температура и технологичность.

Из уровня техники известен жаропрочный сплав марки ЭП718 (ГОСТ 5632-2014), применяемый для изготовления лопаток компрессора, на никелевой основе следующего химического состава, мас.%:

углерод не более 0,1 хром 14,0-16,0 молибден 4,0-5,2 ниобий 0,8-1,5 вольфрам 2,5-3,5 алюминий 0,9-1,4 титан 1,9-2,4 церий не более 0,1 бор не более 0,008 цирконий не более 0,02 никель 43,0-47,0 железо и примеси остальное

Недостатками этого сплава являются ограничение рабочей температуры (до 650°С) и при этом невысокая длительная прочность при температуре 800°С (245 МПа).

Известен жаропрочный сплав (RU2074899, МПК С22С 30/00, С22С 19/03, опубл. 10.03.1997), применяемый для изготовления лопаток компрессора, на железоникелевой основе следующего химического состава, мас.%:

углерод 0,01-0,06 хром 15,5-18,5 молибден 2,8-3,5 ниобий 5,1-5,9 никель 51,5-56,5 алюминий 0,3-0,7 титан 0,6-1,1 ванадий 0,2-0,7 бор 0,004-0,01 иттрий 0,02-0,6 железо остальное

Недостатками этого сплава являются ограничение рабочей температуры (до 650°С) и при этом невысокая длительная прочность при температуре 650°С (710 МПа).

Наиболее близким аналогом является жаропрочный деформируемый сплав на основе никеля ЭП220 (ГОСТ 23705-79), предназначенный для изготовления лопаток ГТД и ГТУ методом штамповки и имеющий следующий состав, мас.%:

углерод не более 0,08 хром 9,0-12,0 кобальт 14,0-16,0 молибден 5,0-8,0 вольфрам 5,0-7,0 алюминий 3,9-4,8 титан 2,2-2,9 бор не более 0,02 ванадии 0,2-0,8 никель и примеси остальное

Данный сплав имеет недостаточно высокие механические свойства для его применения в перспективных ГТД, а именно: кратковременную прочность и удлинение на уровне 1150 МПа и 15% соответственно при нормальной температуре, 940 МПа и 14% при 800°С, длительная прочность при 800°С составляет 470 МПа.

Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении предлагаемого изобретения и не может быть реализовано при использовании прототипа, являются низкие механические свойства сплава.

Технической задачей предлагаемого изобретения является получение жаропрочного деформируемого сплава на основе никеля с более высокими механическими свойствами.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение кратковременной и длительной прочности и пластичности сплава при температурах до 800°С.

Для достижения поставленного технического результата предложен жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий, мас.%:

кобальт 12,0-16,0 хром 9,0-12,0 вольфрам 4,0-6,0 молибден 4,0-6,0 алюминий 4,0-5,5 титан 2,0-3,5 тантал 0,5-2,5 углерод 0,08-0,13 магний 0,003-0,05 лантан 0,002-0,05 бор 0,003-0,03 церий и/или неодим 0,005-0,02 каждого никель остальное

Также предлагается изделие из вышеуказанного жаропрочного сплава на основе никеля.

Основу предложенного сплава составляет γ'-фаза на основе соединения (Ni,Co,Cr)₃(Al,Ti,Ta,W) различной морфологии и γ-твердый раствор на основе никеля и кобальта, также в сплаве присутствуют карбиды типа МеС. Содержание кобальта в количестве 12-16 мас.% обеспечивает пластичность сплава, что позволяет получать из него заготовки методом деформации. За счет повышения содержания углерода в металле увеличивается доля карбидной фазы, которая обеспечивает дополнительное упрочнение сплава.

Легирование сплава танталом в заданном количестве, наряду с соблюдением заданного содержания вольфрама и молибдена, повышает стабильность и механические свойства сплава при высоких температурах.

Тантал в основном входит в составы γ'-фазы и карбидной фазы и увеличивает их стабильность при высоких температурах, а вольфрам и молибден преимущественно распределяются в γ-твердом растворе и повышают его прочность.

Магний, бор, лантан, церий и/или неодим добавляют в процессе выплавки для очищения расплава от оксидов и снижения количества вредных примесей, что положительно влияет на механические свойства (кратковременную и длительную прочность, пластичность во всем диапазоне рабочих температур).

Комплексное микролегирование лантаном и неодимом способствует удалению вредных примесей с границ зерен и других внутренних поверхностей раздела в материале, а также способствует реализации механизма упрочнения - формированию по границам зерен и фаз выделений интерметаллидной фазы Ni_xP3M_y глобулярной морфологии.

В отличие от прототипа, в качестве легирующего элемента в предлагаемый сплав не добавляют ванадий, поскольку он ухудшает окалиностойкость сплава при температурах, близких к 800°С.

При заявленном содержании и соотношении компонентов в предлагаемом сплаве на основе никеля достигается наибольший эффект повышения кратковременной и длительной прочности сплава во всем диапазоне рабочих температур.

Пример осуществления.

Была проведена выплавка исходных электродов в вакуумноиндукционной печи с последующим вакуумно-дуговым переплавом для получения слитков из предлагаемого сплава различных составов и сплава - прототипа.

Химические составы приведены в таблице №1.

Изготовление прутков из слитков предлагаемого сплава различных составов и сплава-прототипа проходило в два этапа: ковка слитка на прессе 1600 тс и экструзия заготовки на пруток на прессе «Блисс».

Полученные прутки разрезали на заготовки, которые подвергали термической обработке. После этого из них были изготовлены цилиндрические образцы для определения механических свойств: кратковременной прочности предела текучести относительного удлинения σ²⁰ и сужения ψ²⁰ при 20°С, кратковременной прочности относительного удлинения σ⁸⁰⁰ и сужения ψ⁸⁰⁰, длительной прочности на базе 100 часов при 800°С. Механические свойства определяли на разрывных и универсальных испытательных машинах. Результаты испытаний приведены в таблице №2.

Как видно из данных таблицы №2, предлагаемый сплав превосходит сплав-прототип по значениям кратковременной и длительной прочности и пластичности сплава (относительное удлинение и сужение) при температурах до 800°С.

Использование предлагаемого жаропрочного деформируемого сплава на основе никеля дает возможность создать ГТД с повышенными тактико-техническими параметрами, повышает надежность изделий и увеличивает ресурс их работы.

Группа изобретений относится к области металлургии, в частности к жаропрочным деформируемым сплавам на основе никеля, и может быть использовано для изготовления деталей газотурбинных двигателей. Жаропрочный деформируемый сплав на основе никеля содержит, мас.%: кобальт 12,0-16,0, хром 9,0-12,0, вольфрам 4,0-6,0, молибден 4,0-6,0, алюминий 4,0-5,5, титан 2,0-3,5, тантал 0,5-2,5, углерод 0,08-0,13, магний 0,003-0,05, лантан 0,002-0,05, бор 0,003-0,03, церий и/или неодим каждого 0,005-0,02, никель - остальное. Обеспечивается повышение кратковременной и длительной прочности и пластичности сплава при температурах до 800°С. 2 н.п. ф-лы, 2 табл., 1 пр.

1. Жаропрочный деформируемый сплав на основе никеля, содержащий кобальт, хром, вольфрам, молибден, алюминий, титан, углерод, бор и никель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит тантал, магний, лантан, церий и/или неодим при следующем соотношении компонентов, мас %:

кобальт 12,0-16,0 хром 9,0-12,0 вольфрам 4,0-6,0 молибден 4,0-6,0 алюминий 4,0-5,5 титан 2,0-3,5 тантал 0,5-2,5 углерод 0,08-0,13 магний 0,003-0,05 лантан 0,002-0,05 бор 0,003-0,03 церий и/или неодим 0,005-0,02 каждого никель остальное

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