Жаропрочный сплав на основе никеля и изделие, изготовленное из него Российский патент 2023 года по МПК C22C19/05 

Изобретение относится к области специальной металлургии, в частности к составу жаропрочного сплава на основе никеля, предназначенного для изготовления деталей авиационной техники (лопаток газовых турбин, термообработанных и обточенных штамповок дисков, дефлекторов, лабиринтов и носков) с рабочей температурой 750-900°С. Жаропрочный сплав на основе никеля содержит, маc. %: углерод ≤0,070; кремний ≤0,70; марганец ≤0,60; хром 12,0÷16,0; титан 2,0÷3,0; алюминий 1,0÷2,0; вольфрам ≤1,0; молибден 2,0÷3.5; ниобий 1,0÷2,5; железо ≤1,0; сера≤0,007; фосфор ≤0,015; бор 0.005÷0,010; церий 0.001-0.05; кальций 0,005-0,012; магний 0,005-0,012; азот ≤30 ррm; кислород ≤20 ррm; остальное - никель и примеси, при этом суммарное содержание примесей S+P+Pb+Sn+Sb+Bi+As не более 0,030 мас. %, суммарное содержание хрома, вольфрама и молибдена составляет ≤18,3 мас. %, суммарное содержание титана, алюминия и ниобия составляет ≤6,5 мас. %, а соотношение суммарного содержания хрома, вольфрама и молибдена к суммарному содержанию титана, алюминия и ниобия - 2,6-2,9. Сплав имеет оптимальное сочетание физических, механических и эксплуатационных свойств, характеризуется повышенной структурной стабильностью на ресурс и высокими значениями длительной прочности изделий и пластичности при растяжении.

Изобретение относится к области специальной металлургии, в частности к составу жаропрочного сплава на основе никеля, предназначенного для изготовления деталей авиационной техники (лопаток газовых турбин, термообработанных и обточенных штамповок дисков, дефлекторов, лабиринтов и носков) с рабочей температурой 750-900°С.

Жаропрочные сплавы на никелевой основе, работающие при ультрасверхкритических параметрах, должны соответствовать следующим критериям:

- обладать высокой технологичностью при горячей деформации;

- выдерживать механические нагрузки в условиях высоких температур;

- обеспечивать структурную стабильность на заданный ресурс;

- обеспечивать высокое сопротивление окислению и коррозионным воздействиям в газовых средах при высоких температурах.

Из уровня техники (ГОСТ 5632-2014. Легированные нержавеющие стали и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные, с. 25) известен жаростойкий никелевый сплав ХН75МБТЮ (ЭИ602), предназначенный для деталей газопроводных систем, аппаратур, деталей камер сгорания с ограниченным сроком службы при температурах до 950°С, содержащий, мас. %: углерод ≤0,10; кремний ≤0,80; марганец ≤0,40; хром 19,0-22,0; титан 0,35-0,75; алюминий 0,35-0,75; молибден 1,80-2,30; ниобий 0,90-1,30; железо ≤3,00; сера ≤0,012; фосфор ≤0,020; никель - остальное.

Недостатком данного сплава являются низкие характеристики прочности при 20°С (σ_в²⁰≥900 МПа) и при 800°С (о_в²⁰≥250 МПа).

Известен сплав на основе никеля, для изготовления изделий, работающий при высоких температурах и нагрузках, содержащий хром, вольфрам, молибден, ниобий, алюминий, цирконий, РЗМ, бор. углерод, кремний, марганец, железо, азот, иттрий, титан и никель при следующем соотношении компонентов, мас. %: хром 12,0-18,0; вольфрам 0,1-1,5; молибден 0,5-6,0; ниобий 0,1-2,0; алюминий 2,0-6,0; цирконий 0,005-0,1; РЗМ 0,001-0,15; бор 0,005-0,2; углерод 0,05-0,15; кремний 0,01-0,4; марганец 0,01-0,4; железо 0,1-7,0; азот 0,001-0,08; иттрий 0,0005-0,05; титан 0,5-3,5; никель - остальное. (SU 1644534, С22С 19/03, опубликовано 30.12.1994).

Данный сплав обладает высокой рабочей температурой 800-900°С, однако недостатком этого сплава являются низкие характеристики прочности и пластичности при 800°С (σ_в⁸⁰⁰=400 Мпа, δ⁸⁰⁰=5,0-10,7%).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по составу и назначению аналогом, взятым за прототип, является жаропрочный никелевый сплав ХН73МБТЮ (ЭИ698) (ГОСТ 5632-2014. Легированные нержавеющие стали и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные, с. 25), предназначенный для изготовления жаропрочных изделий ответственного назначения содержащий, мас. %: углерод 0,03-0,07; кремний ≤0,50; марганец ≤0,40; хром 13.0-16,0; титан 2,35-2,75; алюминий 1,45-1,80; вольфрам ≤0,20; молибден 2,80-3,20; ниобий 1.90-2,20; железо ≤2,00; сера ≤0,007; фосфор ≤0,015; бор ≤0,008; церий ≤0,005; сурьма ≤0,001; свинец ≤0,001; олово ≤0,001; висмут ≤0,0001; мышьяк≤0,001; никель - остальное.

Из уровня техники известно, что данный сплав обладает высокими прочностными свойствами при 20°С (σ_в²⁰≥1130 МПа) и при 750°С (σ_в⁷⁵⁰≥740 МПа), однако имеет недостаточно высокие характеристики пластичности при растяжении при 20°С (δ²⁰≥17% и ψ²⁰≥19%) и при 750°С (δ⁷⁵⁰≥5% и ψ⁷⁵⁰≥8%), а так же длительной прочностью (время до разрушения) при температуре 750°С (412 Н/мм²)≥50 ч.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание жаропрочного сплава на основе никеля с поликристаллической равноосной структурой с плотностью 8,2-8,4 г/см³ и повышенными характеристиками длительной прочности, жаропрочности и пластичности.

Для достижения поставленной технической задачи предложен жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, титан, алюминий, вольфрам, молибден, ниобий, железо, серу, фосфор, бор, церий, азот, кислород и примеси, в который дополнительно введен кальций и магний, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

при этом суммарное содержание примесей S+P+Pb+Sn+Sb+Bi+As не более 0,030 мас. %, суммарное содержание хрома, вольфрама и молибдена составляет<18,3 мас. %, суммарное содержание титана, алюминия и ниобия составляет ≤6,5 мас. %, а соотношение суммарного содержания хрома, вольфрама и молибдена к суммарному содержанию титана, алюминия и ниобия - 2.6-2,9.

Повышение жаропрочности предложенного сплава достигается за счет сбалансированном соотношении между суммарным содержанием γ-стабилизирующих (Cr, Mo, W) и γ'-образующих (Al, Ti, Nb) легирующих элементов, которое приводит к повышению температуры полного растворения упрочняющих частиц γ'-фазы в матричном γ-твердом растворе. В результате повышается максимальная рабочая температура и долговечность сплава.

Алюминий, титан, ниобий, молибден, вольфрам образуют мелкодисперсные, равномерно распределенные по объему зерна карбиды и карбонитриды, что приводит к упрочнению сплава и предотвращает выделение указанных соединений по границам зерен, что в свою очередь способствует росту ударной вязкости и пластичности. Кроме того, это предотвращает образование карбидов хрома, которые диффундируют преимущественно на границах зерен. Карбиды ниобия и вольфрама характеризуются высокой температурой плавления (выше 1000°С), при которой карбиды хрома и титана переходят в раствор. Карбиды ниобия и вольфрама в первую очередь связывают углерод, предотвращая образование карбида хрома, уменьшая, таким образом, его вредное влияние на пластические свойства сплава. При чрезмерно высоком комплексном легировании титаном, алюминием, молибденом, вольфрамом жаропрочность сплава снижается, так как образуются первичные интерметаллидные фазы в виде грубых скоплений, вызывающие охрупчивание.

В предлагаемый состав вводится дополнительный кальций в количестве 0,005-0,012 мас. %. Микролегирование кальцием, являющимся эффективным раскислителем, обеспечивает снижение в 2-10 раз содержание в сплаве остаточного кислорода, что, в свою очередь, приводит к повышению его жидкотекучести и улучшению заполняемости жидким металлом разливочных форм.

Введение магния в предлагаемый жаропрочный сплав на основе никеля при указанном соотношении компонентов используется для стабилизации поликристаллической равноосной структуры изделий из сплава, упрочнения межзеренных границ и повышения жаростойкости, что приводит к увеличению пластичности и сопротивления длительной высокотемпературной ползучести.

Дополнительное микролегирование этими элементами, оказывает заметное облагораживающее влияние на структуру и соответственно на жаропрочность и стойкость к высокотемпературной газовой коррозии.

Пример осуществления.

Для апробации сплава были выплавлены три плавки, предлагаемого состава (таблица 1).

Сплав выплавляли в открытой дуговой печи, а затем переплавляли в вакуумной дуговой печи с применением гелия. Далее плавки подвергли деформации и термической обработке, включающей гомогенизирующий отжиг и двухступенчатое старение. Из термообработанных заготовок изготавливали образцы для определения механических свойств. Полученные характеристики заявляемого сплава приведены в таблице 2.

Как видно из таблицы 2, предлагаемый сплав имеет более высокие значения характеристики кратковременной прочности - относительное удлинение при комнатной температуре почти в 1,8 раза больше; длительная прочность - долговечность (время до разрушения) при температуре 750°С предлагаемого сплава в 2,2 раза больше, чем сплава, взятого за прототип. Плотность предлагаемого сплава составляет 8,28-8,37 г/см³.

Таким образом, предлагаемый жаропрочный сплав на основе никеля с поликристаллической равноосной структурой и низкой плотностью, значительно превосходит сплав-прототип по характеристикам длительной прочности и пластичности.

Изобретение относится к металлургии, в частности к жаропрочному сплаву на основе никеля, предназначенного для изготовления деталей авиационной техники (лопаток газовых турбин, термообработанных и обточенных штамповок дисков, дефлекторов, лабиринтов и носков) с рабочей температурой 750-900°С. Жаропрочный сплав на основе никеля содержит, мас. %: углерод не более 0,070, кремний не более 0,70, марганец не более 0,60, хром 12,0-16,0, титан 2,0-3,0, алюминий 1,0-2,0, вольфрам не более 1,0, молибден 2,0-3,5, ниобий 1,0-2,5, железо не более 1,0, бор 0,005-0,010, церий 0,001-0,05, кальций 0,005-0,012, магний 0,005-0,012, азот ≤30 ppm, кислород ≤20 ppm, никель и примеси – остальное. Сплав имеет оптимальное сочетание физических, механических и эксплуатационных свойств, характеризуется повышенной структурной стабильностью на ресурс и высокими значениями длительной прочности изделий и пластичности при растяжении. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 табл., 3 пр.

1. Жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, титан, алюминий, вольфрам, молибден, ниобий, железо, бор, церий, никель и примеси, отличающийся тем, что он дополнительно содержит азот, кислород, кальций и магний при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Углерод не более 0,070

Кремний не более 0,70

Марганец не более 0,60

Хром 12,0-16,0

Титан 2,0-3,0

Алюминий 1,0-2,0

Вольфрам не более 1,0

Молибден 2,0-3,5

Ниобий 1,0-2,5

Железо не более 1,0

Бор 0,005-0,010

Церий 0,001-0,05

Кальций 0,005-0,012

Магний 0,005-0,012

Азот ≤30 ppm

Кислород ≤20 ppm

Никель и примеси - остальное.

2. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что суммарное содержание хрома, вольфрама и молибдена составляет ≤18,3 мас. %.

3. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что суммарное содержание титана, алюминия и ниобия составляет ≤6,5 мас. %.

4. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что соотношение суммарного содержания хрома, вольфрама и молибдена к суммарному содержанию титана, алюминия и ниобия - 2,6-2,9.

5. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что в качестве примесей он содержит серу, фосфор, свинец, олово, сурьму, висмут и мышьяк при их содержании, мас. %:

Сера не более 0,007

Фосфор не более 0,015

Свинец не более 0,001

Олово не более 0,001

Сурьма не более 0,001

Висмут не более 0,0001

Мышьяк не более 0,001.

6. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что суммарное содержание примесей S+P+Pb+Sn+Sb+Bi+As не более 0,030 мас. %.

7. Изделие из жаропрочного сплава на основе никеля, отличающееся тем, что оно изготовлено из жаропрочного сплава на основе никеля по любому из пп. 1-6.

8. Изделие по п. 7, отличающееся тем, что оно изготовлено путем переплава в вакуумно-дуговой печи с применением гелия, горячей деформации и, по крайней мере, одной термической обработки.