Жаропрочный сплав на основе никеля, изделие, выполненное из него, и способ термической обработки изделия Российский патент 2024 года по МПК C22C19/05 C22F1/10 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству жаропрочных сплавов на никелевой основе и получаемым из них методом направленной кристаллизации монокристаллических изделий, например, турбинных лопаток авиационных газотурбинных двигателей (ГТД), работающих при температурах до 1200°С.

Рабочие монокристаллические лопатки турбины высокого давления (ТВД) современных авиационных ГТД, которые изготавливают из жаропрочных сплавов на основе никеля и подвергают вакуумной термической обработке, работают в чрезвычайно тяжелых эксплуатационных условиях, сочетающих длительное воздействие высокой температуры и агрессивных продуктов горения, а также разнообразные статические и циклические механические нагрузки. Дальнейшее повышение конструкционной прочности рабочих монокристаллических лопаток ТВД для перспективных ГТД может быть достигнуто путем применения для литья методом направленной кристаллизации лопаток жаропрочного никелевого сплава с высоким уровнем длительной прочности при рабочей температуре 1200°С, повышенными характеристиками сопротивления малоцикловой усталости (МЦУ) и окисления при рабочих температурах 850 и 1100°С соответственно.

Из уровня техники известен жаропрочный сплав на основе никеля (US 6966956 В2, С22С 19/05, опубл. 22.11.2005), предназначенный для изготовления методом направленной кристаллизации монокристаллических лопаток газовых турбин, работающих длительно при температурах до 1150°С, следующего химического состава, мас. %:

алюминий 5,0-7,0 тантал 4,0-8,0 молибден 2,9-4,5 вольфрам 4,0-8,0 рений 3,0-6,0 гафний 0,01-0,50 хром 2,0-5,0 кобальт 0,1-15 рутений 1,0-4,0 никель остальное

Способ термической обработки данного сплава (US 6966956 В2, С22С 19/05, колонка 6, строки 53-63 описания изобретения, опубл. 22.11.2005) заключается в гомогенизирующем отжиге на твердый раствор по режиму: выдержка в течение 1 ч при температуре 1300°С и далее нагрев до температуры 1340°С и выдержка в течение 5 ч, последующем первом старении при температуре 1150°С в течение 4 ч и окончательном втором старении при температуре 870°С в течение 20 ч. Сплав обладает следующими показателями длительной прочности: при температуре 900°С и напряжении 392 МПа время до разрушения составляет 986,88 ч, при температуре 1000°С и напряжении 245 МПа время до разрушения составляет 380,50 ч, при температуре 1100°С и напряжении 137 МПа время до разрушения составляет 412,30 ч, при температуре 1150°С и напряжении 98 МПа время до разрушения составляет 343,25 ч, малоцикловая усталость (МЦУ): при температуре 800°С и базе испытаний 10⁴ циклическое напряжение МЦУ составляет 611 МПа.

Показатели длительной прочности и МЦУ известного сплава не удовлетворяют современным требованиям, предъявляемым к жаропрочным сплавам на основе никеля для литья рабочих монокристаллических лопаток ТВД перспективных авиационных газотурбинных двигателей. Дополнительные исследования показали, что недостатком известного способа термической обработки является недостаточная длительность гомогенизирующего отжига сплава, что не позволяет в достаточной мере устранить дендритную сегрегацию рения и вольфрама в сплаве и монокристаллической отливке изделия из него и, следовательно, предотвратить образование вредных топологически плотно упакованных (ТПУ) фаз, образующихся в структуре сплава при длительном воздействии высокой температуры и достичь более высоких показателей длительной прочности сплава и изделия из него.

Из патента US 6007645 А, С22С 19/05, опубл. 28.12.1999, известен высокопрочный устойчивый к окислению монокристаллический суперсплав с низким содержанием хрома следующего химического состава, мас. %:

алюминий 5,0-7,0 тантал 4,0-8,0 молибден 0-4,0 вольфрам 5,0-10,0 рений 0-8,5 гафний 0-3,0 хром 0,4-2,9 кобальт 3,0-20,0 титан 0-1,5 ниобий 0-2,0 ванадий 0-1,0 по меньшей мере один элемент из группы, включающей рутений, родий, палладий, осмий, иридий, платину от более 0 до 10,0 по меньшей мере один элемент из группы, включающей иттрий, лантан, скандий, церий от более 0 до 1,0 никель остальное

Способ термической обработки данного сплава и изделий из него, например, монокристаллических лопаток для газовой турбины (US 6007645 А, С22С 19/05, колонки 3-4 описания изобретения, опубл. 28.12.1999) включает гомогенизирующий отжиг на твердый раствор в интервале температур 1302-1329°С в течение 0,5-4 ч, быстрое охлаждение в атмосфере воздуха, промежуточное старение при температуре 1079°С в течение 4 ч и окончательное старение при температуре 704°С в течение 24 ч с охлаждением на воздухе.

Недостатком известного сплава является склонность к образованию при кристаллизации избыточных фаз эвтектического происхождения на основе Ni₃ (Al, Та, Ti, Hf, Nb), а также склонность к фазовой нестабильности в связи с широким интервалом легирования в пределах указанного выше соотношения компонентов. Вследствие этого сплав обладает недостаточно высокой длительной прочностью при температурах в интервале 1000-1150°С. Наличие в литой структуре сплава фаз эвтектического происхождения на основе Ni₃ (Al, Та, Ti, Hf, Nb) также ухудшает технологические свойства сплава, снижая температурный интервал гомогенизирующего отжига, равный разности между температурой локального плавления и температурой полного растворения упрочняющей γ'-фазы. В результате возникает риск оплавления изделия из сплава в процессе термической обработки на твердый раствор, необходимой для растворения избыточных фаз и устранения ликвационной неоднородности.

Недостатком способа термической обработки данного сплава является невысокая длительность гомогенизирующего отжига, что не позволяет полностью растворить неравновесные выделения эвтектики γ+γ', а также в достаточной мере устранить дендритную сегрегацию легирующих тугоплавких элементов (Re, W, Та) и, следовательно, достичь более высоких показателей высокотемпературной длительной прочности сплава и изделия из него.

Известен никелевый жаропрочный сплав (RU 2220220 C1, С22С 19/05, C22F 1/10, опубл. 27.12.2003) следующего химического состава, мас. %:

алюминий 5,3-5,9 тантал 7,0-10,0 молибден 1,0-2,0 вольфрам 0,1-0,9 рений 11,1-13,0 хром 2,0-3,0 кобальт 9,5-13,0 церий 0,002-0,02 лантан 0,021-0,2 иттрий 0,002-0,02 углерод 0,002-0,02 бор 0,0004-0,004 никель остальное

Способ термической обработки данного сплава и изделий, выполненных из него, например, монокристаллических лопаток для газовой турбины (RU 2220220 C1, С22С 19/05, C22F 1/10, опубл. 27.12.2003), включает нагрев в контролируемой атмосфере, гомогенизирующий отжиг в интервале между температурой полного растворения упрочняющей γ'-фазы (Т_п.р.) и температурой локального плавления (Т_л.пл.), двухступенчатое старение и последующее охлаждение, при этом никелевый жаропрочный сплав и изделие из него перед гомогенизирующим отжигом подвергают предварительному трехступенчатому отжигу, где первая ступень отжига - нагрев до температуры Т_л.пл. - 60±10°С, вторая ступень отжига - нагрев до температуры Т_л.пл. - 40±10°С, третья ступень отжига - нагрев до температуры Т_л.пл. - (15-25)°С, причем выдержка между нагревами составляет не менее 2 ч, а скорость нагрева составляет не более 1-2°С/мин.

Значения температуры полного растворения упрочняющей γ'-фазы и температуры локального плавления данного сплава после направленной кристаллизации составляют 1298-1335°С и 1337-1355°С соответственно.

Недостаток известного способа термической обработки состоит в том, что проведение трехступенчатого гомогенизирующего отжига сплава и изделия из него, например, монокристаллической отливки лопатки, приводит к образованию на глубине до 50 мкм от поверхности по всему периметру сплошного измененного по химическому составу слоя материала. По данным рентгеноспектрального микроанализа материал этого слоя в изделии содержит пониженные концентрации алюминия и хрома по сравнению с основным материалом изделия. Соответственно, следует ожидать, что, ресурс изделий, имеющих на поверхности обедненный алюминием и хромом слой в части сопротивления газовой коррозии будет значительно уступать ресурсу изделий с механически обработанной поверхностью в связи с непосредственным контактом измененного слоя и агрессивной газовой среды. Кроме того, при пониженном содержании алюминия измененный слой материала разупрочнен из-за меньшей доли у'-фазы в его структуре. Следовательно, изделия с приповерхностным разупрочненным слоем материала будут иметь пониженное сопротивление циклической усталости, поскольку их разрушение при воздействии циклических нагрузок начинается с поверхности.

Причиной появления такой прослойки является известная для жаропрочных никелевых сплавов склонность к так называемому вакуумному травлению - сублимации (возгонке) хрома и алюминия при высоких температурах и длительных выдержках.

Недостатком данного сплава является его склонность в процессе направленной кристаллизации и монокристаллических отливок изделий из него к образованию вредной топологически плотноупакованной (ТПУ) 5-фазы перитектического происхождения на основе рения, выделения которой располагаются в дендритах первого порядка монокристаллической отливки и не растворяются при последующей высокотемпературной гомогенизирующей термической обработке. Сплав имеет невысокую жаропрочность при рабочих температурах 1100-1200°С.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является жаропрочный сплав на никелевой основе, известный из патента RU 2293782 C1, С22С 19/05, опубл. 20.02.2007, предназначенный для изготовления изделий с монокристаллической структурой, например, лопаток газовых турбин, следующего химического состава, мас. %:

алюминий 5,7-6,3 тантал 4,0-5,0 молибден 3,5-5,0 вольфрам 3,2-4,8 рений 5,6-7,0 хром 2,1-3,3 кобальт 5,0-7,0 церий 0,001-0,02 лантан 0,002-0,25 иттрий 0,002-0,02 углерод 0,002-0,02 бор 0,0004-0,004 неодим 0,0005-0,01 рутений 2,0-6,0 никель остальное

Способ термической обработки сплава-прототипа (RU 2293782 С1, С22С 19/05, пример осуществления, опубл. 20.02.2007) включает гомогенизирующий отжиг в интервале между температурой полного растворения упрочняющей γ'-фазы и температурой локального плавления и двухступенчатое старение.

Дополнительные исследования показали, что данные сплав и изделия, выполненные из него, например, монокристаллические отливки образцов с осевой ориентировкой, близкой к кристаллографическому направлению <001>, имеют высокие характеристики длительной прочности при рабочих температурах 900, 1000 и 1100°С: значения пределов длительной прочности за 100 ч соответственно равны 575, 305 и 170 МПа. Однако сплав и монокристаллические изделия из него вследствие образования на поверхности отливок по всему периметру в глубину сплошного измененного по химическому составу слоя материала, вызванного сублимацией алюминия и хрома при гомогенизирующем отжиге, имеют невысокие характеристики циклической прочности, жаростойкости и длительной прочности при рабочих температурах соответственно 750, 1100 и 1200°С.

Другим недостатком сплава-прототипа является склонность к образованию в процессе направленной кристаллизации сплава и монокристаллических отливок изделий из сплава неравновесной эвтектики (γ+γ') с пониженной температурой локального плавления, выделения которой располагаются в междендритных пространствах монокристаллической отливки. Отрицательное влияние пониженной температуры локального плавления выделений эвтектики (γ+γ') в сплаве и изделии из него проявляется в том, что уменьшается температурный интервал между температурой полного растворения упрочняющей γ'-фазы Т_п.р. и температурой локального плавления Т_л.пл., т.е. температурный интервал гомогенизирующего отжига на твердый раствор ΔТ_г.o - Т_лп. ^_ Т_п.р. или так называемое «окно термической обработки». Тем самым снижаются технологические характеристики сплава и монокристаллических отливок изделий из него, повышается вероятность оплавления сплава и монокристаллических отливок изделий из него при проведении высокотемпературного гомогенизационного отжига.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание сплава на никелевой основе с повышенными физико-химическими свойствами и технологичностью, необходимыми для повышения эксплуатационных характеристик монокристаллических лопаток газовых турбин, работающих при температурах до 1200°С.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение жаростойкости при температуре 1100°С, сопротивления малоцикловой усталости (МЦУ) при температуре 750°С и длительной прочности при температуре 1200°С сплава на основе никеля и изделий из него и повышение выхода годного сплава и изделий из него.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что предлагаемый жаропрочный сплав на основе никеля содержит алюминий, тантал, молибден, вольфрам, рений, хром, кобальт, церий, лантан, иттрий, углерод, бор, неодим, рутений, при этом он дополнительно содержит кремний при следующем соотношении компонентов, мас. %:

алюминий 5,7-6,3 тантал 4,0-5,2 молибден 3,5-4,5 вольфрам 3,2-5,2 рений 5,6-6,5 хром 2,1-3,3 кобальт 5,0-7,0 церий 0,001-0,02 лантан 0,002-0,1 иттрий 0,002-0,02 углерод 0,002-0,02 бор 0,0004-0,004 неодим 0,0005-0,01 рутений 3,0-5,0 кремний 0,008-0,2 никель остальное

Также предложено изделие из данного жаропрочного сплава на основе никеля, имеющее монокристаллическую структуру.

Для достижения технического результата также предложен способ термической обработки изделия из жаропрочного сплава на основе никеля, включающий гомогенизирующий отжиг в интервале между температурой полного растворения упрочняющей γ'-фазы Т_п.р. и температурой локального плавления выделений эвтектики (γ+γ') Т_л.пл., двухступенчатое старение и последующее охлаждение, при этом проводят термическую обработку изделия из жаропрочного сплава на основе никеля, имеющего монокристаллическую структуру и вышеуказанный состав, перед гомогенизирующим отжигом изделие подвергают предварительному трехступенчатому отжигу, на первой ступени изделие нагревают до температуры 690-710°С и выдерживают при этой температуре в течение 3,5-4,5 ч с последующим охлаждением, на второй ступени изделие нагревают до температуры 1295-1305°С и выдерживают при этой температуре в течение 1,5-2,5 ч, на третьей ступени изделие нагревают до температуры 1330-1340°С и выдерживают при этой температуре 1,5-2,5 ч, причем скорость нагрева изделия между первой и второй ступенями предварительного трехступенчатого отжига составляет не более 20°С/мин, скорость нагрева изделия между второй и третьей ступенями предварительного трехступенчатого отжига и между третьей ступенью предварительного трехступенчатого отжига и гомогенизирующим отжигом составляет не более 2°С/мин.

В металлургии жаропрочных сплавов на основе никеля, например, из патента RU 2365656 C1, С22С 19/05, страница 4, абзац 6, опубл. 27.08.2009, известно, что кремний улучшает их жаростойкость за счет образования на поверхности металла защитной оксидной пленки.

Однако авторами предлагаемого изобретения было установлено, что введение кремния в жаропрочный сплав на основе никеля, подвергнутый термической обработке с применением трехступенчатого отжига, обеспечивает практически полное устранение образования на поверхности отливок по всему периметру в глубину сплошного измененного по химическому составу слоя материала. Это становится возможно за счет образования на поверхности монокристаллических изделий, выполненных из сплава, оксидной пленки на основе SiO₂. Указанная пленка образуется на первой ступени предварительного отжига при температуре на (150±10)°С ниже температуры начала растворения упрочняющей γ'-фазы Т_н.р. (соответствует температурному интервалу 690-710°С) и выдержке при этой температуре в течение 3,5-4,5 ч с последующим охлаждением. При последующих стадиях отжига сплава и монокристаллических изделий из него (2-я, 3-я ступень предварительного отжига, гомогенизирующий отжиг) пленка на основе SiO₂ препятствует сублимации (возгонке) легирующих элементов хрома и алюминия. В результате существенно увеличиваются характеристики циклической прочности, жаростойкости и длительной прочности сплава, и изделий, выполненных из него, а также повышается выход годного, что подтверждает существенное отличие предложенного технического решения от известных и способствует достижению требуемого технического результата.

Нагрев сплава на второй ступени предварительного отжига до температуры на (50±5)°С ниже температуры локального плавления выделений эвтектики (γ+γ') (соответствует температурному интервалу 1295-1305°С) и выдержка при этой температуре в течение 1,5-2,5 ч приводят к диффузионному выравниванию сегрегаций микролегирующих элементов сплава церия, лантана, иттрия, углерода, бора и неодима по дендритной ячейке монокристаллических отливок изделий из сплава, неизбежно накапливающихся в междендритных пространствах отливок в процессе направленной кристаллизации, что исключает опасность оплавления междендритных пространств в отливках при последующих предварительном отжиге на третьей ступени и гомогенизирующем отжиге.

Нагрев сплава на третьей ступени предварительного отжига до температуры на (15±5)°С ниже температуры локального плавления выделений эвтектики (γ+γ') (соответствует температурному интервалу 1330-1340°С) и выдержка при этой температуре в течение 1,5-2,5 ч приводят к растворению выделений эвтектики (γ+γ'), неизбежно образующихся в междендритных пространствах отливок в процессе направленной кристаллизации, и последующему диффузионному выравниванию по дендритной ячейке концентраций легирующих элементов, образующих эти выделения, что исключает опасность оплавления междендритных пространств в отливках при последующем гомогенизирующем отжиге.

Установлено, что при термической обработке для предотвращения возникновения термических напряжений нагрев изделий сложной и переменной по длине и ширине геометрической формы, например, турбинных лопаток, следует проводить со скоростью не более 20°С/мин (скорость нагрева сплава между первой и второй ступенями предварительного трехступенчатого отжига).

Для предотвращения опасности перегрева скорость нагрева сплава между второй и третьей ступенями предварительного трехступенчатого отжига и между третьей ступенью предварительного трехступенчатого отжига и гомогенизирующим отжигом составляет не более 2°С/мин.

Снижение содержания лантана в предлагаемом сплаве и изделии из него способствует повышению температуры локального плавления выделений эвтектики (γ+γ'), что позволяет увеличить без опасности оплавления междендритных пространств монокристаллических отливок температурный интервал между температурой полного растворения упрочняющей γ'-фазы Т_п.р. и температурой локального плавления Т_л.пл., то есть температурный интервал гомогенизирующего отжига на твердый раствор ΔТ_г.o.=Т_л.пл. - Т_п.р. или так называемое «окно термической обработки», и тем самым повысить технологичность сплава и изделий из него при их термической обработке.

Повышение содержания тантала и вольфрама в предлагаемом сплаве и монокристаллических изделиях из него обеспечивает повышение температуры полного растворения упрочняющей γ'-фазы в γ-твердом растворе, что способствует сохранению их работоспособности вплоть до температуры 1200°С.

По сравнению со сплавом-прототипом в предлагаемом сплаве и монокристаллических изделиях из него понижено содержание молибдена, рения и рутения, что предотвращает образование вредных ТПУ фаз в осях дендритов при направленной кристаллизации, термической обработке и последующей длительной высокотемпературной эксплуатации. Механизм, по которому ТПУ фазы понижают характеристики жаропрочности монокристаллов жаропрочных сплавов на основе никеля, основан на том факте, что при выделении ТПУ фаз в процессе высокотемпературной ползучести происходит значительное обеднение γ-твердого раствора тугоплавкими элементами (Mo, W, Re, Ru), которые переходят в состав ТПУ фаз. Таким образом, образование ТПУ фаз в структуре сплава сопровождается снижением твердорастворного упрочнения γ-фазы рением и другими тугоплавкими элементами и, как следствие, уменьшением сопротивления движению дислокаций в процессе ползучести, что в макромасштабе понижает жаропрочность сплава и изделия из него.

Примеры осуществления

В вакуумной индукционной печи ВИМ-12 были осуществлены три плавки предлагаемого сплава и одна плавка сплава-прототипа. Химический состав предлагаемого сплава и сплава-прототипа приведен в таблице 1. Далее выплавленные сплавы переплавляли в вакуумной установке для направленной кристаллизации УВНК-9А и получали монокристаллические изделия с аксиальной кристаллографической ориентацией <001> в виде цилиндрических отливок диаметром 16 мм и длиной 185 мм. Из этих монокристаллических отливок изготавливали образцы (длина образцов 1 мм, диаметр 4 мм) для определения методом дифференциального термического анализа температуры полного растворения упрочняющей γ'-фазы в γ-твердом растворе Т_п.р. и температуры локального плавления выделений эвтектики (γ+γ') Т_л.пл., образцы для определения жаростойкости (длина образцов 20 мм, диаметр 10 мм), для механических испытаний на длительную прочность (длина рабочей базы образцов 25 мм, диаметр 5 мм) и испытаний на малоцикловую усталость (гладкие образцы с рабочей частью длиной 30 мм, диаметр 5 мм).

Затем, с учетом измеренных температур начала растворения упрочняющей γ'-фазы, полного растворения упрочняющей γ'-фазы и локального плавления выделений эвтектики (γ+γ'), изготовленные образцы из сплавов подвергали термической обработке, используя предварительный трехступенчатый отжиг по режимам, представленным в таблице 2. Скорость нагрева сплава между первой и второй ступенями предварительного трехступенчатого отжига не превышала 20°С/мин, скорость нагрева сплава между второй и третьей ступенями предварительного трехступенчатого отжига и между третьей ступенью предварительного трехступенчатого отжига и гомогенизирующим отжигом не превышала 2°С/мин.

Гомогенизирующий отжиг проводили в течение не менее 20 ч в интервале между температурой полного растворения упрочняющей γ'-фазы Т_п.р. и температурой локального плавления выделений эвтектики (γ+γ') Т_л.пл. с последующим охлаждением до комнатной температуры.

Первую стадию последующего старения проводили при температуре 1120-1140°С в течение 4 ч с последующим охлаждением до комнатной температуры, вторую стадию - при температуре 860-880°С в течение 48 ч с последующим охлаждением до комнатной температуры.

Испытания образцов сплавов на жаростойкость проводили в атмосфере воздуха при температуре 1100°С и определяли привес образцов после выдержки в течение 100 ч.

Испытания образцов сплавов на длительную прочность проводили в атмосфере воздуха без защитных покрытий при температуре 1200°С и напряжении 50 МПа. По результатам испытаний на длительную прочность определяли время до разрушения при указанной температуре и напряжении.

Испытания образцов сплавов на МЦУ (контролируемый параметр нагрузка, цикл нагружения - отнулевой, R_σ=0, форма цикла нагружения -треугольная, частота нагружения f=1 Гц) проводили в атмосфере воздуха без защитных покрытий при температуре 750°С и максимальном напряжении 1020 МПа. По результатам испытаний на МЦУ определяли число циклов до разрушения при указанной температуре и напряжении.

Определение параметра размерного несоответствие периодов кристаллических решеток γ- и γ'- фаз (мисфита) сплавов выполняли методом рентгеноструктурного анализа комнатной температуре.

Полученные характеристики композиций заявляемого сплава и изделий, выполненных из него, и сплава-прототипа приведены в таблице 3.

Как видно из таблицы 3, предлагаемый сплав и монокристаллическое изделие из него при заявленном соотношении элементов после направленной кристаллизации имеет более высокие значения температур полного растворения упрочняющей γ'-фазы (на 7-11°С) и локального плавления выделений эвтектики (γ+γ') (на 14-24°С) и характеризуется более высоким значением температурного интервала гомогенизирующего отжига (на 7-16°С), чем сплав-прототип. Это обеспечивает возможность проводить гомогенизирующую термическую и/или баротермическую обработку предлагаемого сплава при более высокой температуре с целью более полного устранения сегрегационной неоднородности легирующих элементов сплава по дендритным ячейкам отливок монокристаллических изделий из сплава без опасности оплавления и в результате обеспечить достижение более высоких значений параметра размерного несоответствия периодов кристаллических решеток γ- и γ'- фаз (мисфита) в сплаве, чем в сплаве-прототипе - одной из важнейших структурно-фазовых характеристик, обеспечивающих длительное сопротивление высокотемпературной ползучести монокристаллических изделий из жаропрочных никелевых сплавов.

В результате действия легирующего элемента кремния при заявленном соотношении остальных легирующих и микролегирующих элементов предлагаемый сплав и изделие, выполненное из него, термически обработанные предлагаемым способом, имеют значение характеристики жаростойкости - привес при температуре 1100°С за 100 ч на 55% меньше, чем у сплава, взятого за прототип.

Характеристика МЦУ - число циклов до разрушения при температуре 750°С и максимальном напряжении σ₀=1020 МПа и характеристика длительной прочности - время до разрушения при температуре 1200°С и напряжении σ=50 МПа предлагаемого сплава и изделия, выполненного из него, соответственно, в 1,6 раза и на 18% больше, чем у сплава-прототипа.

Технологическое преимущество предлагаемых сплава и способа его термической обработки заключается в обеспечении практически полного устранения образования на поверхности монокристаллических изделий по всему периметру в глубину сплошного измененного по химическому составу слоя материала в связи с образованием на первой ступени отжига поверхностной оксидной пленки, препятствующей при последующем гомогенизирующем отжиге сплава и монокристаллических отливок из него сублимации (возгонке) легирующих элементов хрома и алюминия.

Таким образом, предлагаемый жаропрочный сплав на основе никеля значительно превосходит сплав-прототип по характеристикам жаростойкости, малоцикловой усталости и длительной прочности при температуре 1200°С. Это позволяет использовать предлагаемые сплав и способ термической обработки для производства турбинных монокристаллических рабочих лопаток газотурбинных двигателей, длительно работающих при температурах до 1200°С.

Монокристаллические изделия из предлагаемого сплава, подвергнутые термической обработке предлагаемым способом, имеют повышенную жаростойкость, сопротивление малоцикловой усталости и высокотемпературную длительную прочность, и, следовательно, надежность и ресурс при высокой рабочей температуре.

Изобретение относится к области металлургии. Жаропрочный сплав на основе никеля содержит, мас.%: алюминий 5,7-6,3, тантал 4,0-5,2, молибден 3,5-4,5, вольфрам 3,2-5,2, рений 5,6-6,5, хром 2,1-3,3, кобальт 5,0-7,0, церий 0,001-0,02, лантан 0,002-0,1, иттрий 0,002-0,02, углерод 0,002-0,02, бор 0,0004-0,004, неодим 0,0005-0,01, рутений 3,0-5,0, кремний 0,008-0,2, никель - остальное. Также предложено изделие из указанного сплава, имеющее монокристаллическую структуру. Способ термической обработки изделия включает гомогенизирующий отжиг в интервале между температурой полного растворения упрочняющей γ'-фазы Т_п.р. и температурой локального плавления выделений эвтектики (γ+γ') Т_л.пл., двухступенчатое старение и последующее охлаждение. Перед гомогенизирующим отжигом изделие подвергают предварительному трехступенчатому отжигу, причем на первой ступени изделие нагревают до температуры 690-710°С и выдерживают при этой температуре в течение 3,5-4,5 ч с последующим охлаждением, на второй ступени изделие нагревают до температуры 1295-1305°С и выдерживают при этой температуре в течение 1,5-2,5 ч, на третьей ступени изделие нагревают до температуры 1330-1340°С и выдерживают при этой температуре 1,5-2,5 ч, причем скорость нагрева изделия между первой и второй ступенями предварительного трехступенчатого отжига составляет не более 20°С/мин, скорость нагрева изделия между второй и третьей ступенями предварительного трехступенчатого отжига и между третьей ступенью предварительного трехступенчатого отжига и гомогенизирующим отжигом составляет не более 2°С/мин. Обеспечивается повышение жаростойкости при температуре 1100°С, сопротивления малоцикловой усталости (МЦУ) при температуре 750°С и длительной прочности при температуре 1200°С сплава на основе никеля и изделий из него, а также повышение выхода годного сплава и изделий из него. 3 н.п. ф-лы, 3 табл., 3 пр.

1. Жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий алюминий, тантал, молибден, вольфрам, рений, хром, кобальт, церий, лантан, иттрий, углерод, бор, неодим, рутений, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кремний при следующем соотношении компонентов, мас. %:

алюминий 5,7-6,3 тантал 4,0-5,2 молибден 3,5-4,5 вольфрам 3,2-5,2 рений 5,6-6,5 хром 2,1-3,3 кобальт 5,0-7,0 церий 0,001-0,02 лантан 0,002-0,1 иттрий 0,002-0,02 углерод 0,002-0,02 бор 0,0004-0,004 неодим 0,0005-0,01 рутений 3,0-5,0 кремний 0,008-0,2 никель остальное

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

3. Способ термической обработки изделия из жаропрочного сплава на основе никеля, включающий гомогенизирующий отжиг в интервале между температурой полного растворения упрочняющей γ-фазы Т_п.р. и температурой локального плавления выделений эвтектики (γ+γ') Т_л.пл., двухступенчатое старение и последующее охлаждение, отличающийся тем, что проводят термическую обработку изделия из жаропрочного сплава на основе никеля, имеющего монокристаллическую структуру, по п. 2, при этом перед гомогенизирующим отжигом изделие подвергают предварительному трехступенчатому отжигу, причем на первой ступени изделие нагревают до температуры 690-710°С и выдерживают при этой температуре в течение 3,5-4,5 ч с последующим охлаждением, на второй ступени изделие нагревают до температуры 1295-1305°С и выдерживают при этой температуре в течение 1,5-2,5 ч, на третьей ступени изделие нагревают до температуры 1330-1340°С и выдерживают при этой температуре 1,5-2,5 ч, причем скорость нагрева изделия между первой и второй ступенями предварительного трехступенчатого отжига составляет не более 20°С/мин, скорость нагрева изделия между второй и третьей ступенями предварительного трехступенчатого отжига и между третьей ступенью предварительного трехступенчатого отжига и гомогенизирующим отжигом составляет не более 2°С/мин.