МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ Советский патент 1995 года по МПК C22C19/05 

Изобретение относится к металлургии, а именно, к изысканию жаропрочного сплава на никелевой основе для изготовления монокристалльных деталей газовых турбин сложной конфигурации.

Целью изобретения является повышение жаропрочности точнолитых изделий сложной конфигурации за счет совершенствования структуры и устранения объемной рекристаллизации в процессе их изготовления.

Это достигается тем, что монокристаллический сплав на основе никеля, содержащий хром, алюминий, титан, молибден, вольфрам, тантал, рений, кобальт, ниобий, иттрий, лантан, церий, празеодим, неодим, гадолиний и скандий, дополнительно содержит углерод при следующем соотношении компонентов, мас. Хром 2,5-5,5 Алюминий 5,0-6,2 Титан 0,7-1,5 Молибден 1,0-4,0 Вольфрам 10,5-13,0 Тантал 0,01-4,5 Рений 1,0-2,6 Кобальт 5,0-9,5 Ниобий 0,7-1,5 Иттрий 0,002-0,075 Лантан 0,001-0,05 Церий 0,001-0,05 Празеодим 0,0002-0,01 Неодим 0,0002-0,005 Гадолиний 0,0002-0,005 Скандий 0,0002-0,005 Углерод 0,04-0,07 Никель Остальное
Причем суммарное содержание иттрия, лантана, церия, празеодима, неодима, гадолиния и скандия составляет 0,01-0,1 мас.

Установлено, что в данном случае введение углерода в заявляемых пределах приводит к выделению по субграницам отдельных частиц карбидной фазы благоприятной округлой морфологии в отличие от карбидов морфологии "китайского шрифта" и карбоборидной эвтектики в сплавах известных составов с направленной и равноосной структурой, образующих при этом замкнутый каркас по границам зерен. В данном случае карбидные выделения округлой формы, с одной стороны, совершенствуют строение субграниц, разбивая их каркас на отдельные упрочняющие частицы, а с другой стороны, закрепляют их, не позволяя мигрировать, и тем самым предотвращают образование рекристаллизованных зерен в процессе термообработки и технологических нагревов. Концентрация углерода в пределах 0,04-0,07 мас. является необходимой и достаточной. Меньшая концентрация углерода является недостаточной для закрепления субграниц, при большей концентрации образуются карбиды морфологии "китайского шрифта", нарушающие совершенство лабиринтного строения γ^I-фазы.

Таким образом, следствием легирования углеродом в заявленных пределах при указанном соотношении других легирующих элементов является повышение жаропрочности монокристаллических точнолитых изделий сложной конфигурации за счет совершенствования строения субграниц и исключения рекристаллизации в процессе изготовления отливок.

П р и м е р. Выплавляли монокристалльные лопатки ступени ГТД с циклонно-вихревой матрицей из сплава-прототипа и предложенного сплава. Лопатки подвергали термической обработке, после чего проводили макротравление для выявления субграниц и границ рекристаллизованных зерен. Из лопаток вырезали образцы для испытания на жаропрочность.

В табл. 1 приведен химический состав плавок, а в табл.2 данные визуального осмотра макроструктуры лопаток, а также результаты испытания на жаропрочность образцов, вырезанных из них. Долговечность образцов τ_cp дана как среднее значение по результатам испытания пяти-семи образцов.

Как следует из таблиц, максимальным уровнем жаропрочности обладают образцы, вырезанные из лопаток, состав которых содержит 0,04-0,07 мас. углерода (примеры 1-4). При меньшей концентрации углерода лишь часть субграниц декорирована отдельными округлыми частицами карбидов, что приводит либо к снижению жаропрочности образцов (пример 5а), либо к образованию рекристаллизованных зерен после высокотемпературной гомогенизации лопаток и катастрофическому провалу жаропрочности (пример 5).

В случае превышения оптимальных концентраций углерода снижение жаропрочности обусловлено образованием карбидного каркаса шрифтовой морфологии (пример 6). В последнем случае отрицательное влияние карбидной фазы аналогично влиянию избыточных фаз игольчатой морфологии нарушающих регулярность структуры γ^I фазы и образующихся при несоблюдении состава по иным, кроме углерода, элементам (примеры 7, 8).

В случае отсутствия в составе углерода при сохранении оптимальных концентраций остальных легирующих элементов жаропрочность либо снижается из-за наличия несовершенных субграниц (пример 9а), либо катастрофически падает из-за рекристаллизации (пример 9).

Таким образом, точнолитые детали сложной конфигурации из предлагаемого сплава обладают более высокой жаропрочностью, чем аналогичные детали, отлитые из сплава-прототипа. Это прирост составляет 100-150% что дает возможность весьма значительно повысить ресурс данных изделий. Кроме того, предложенный сплав более технологичен и ремонтоспособен из-за отсутствия объемной рекристаллизации. Учитывая высокую стоимость производства деталей столь сложной конфигурации, увеличение ресурса и их технологичности кардинально решает проблему экономии энерготрудоматериальных ресурсов в процессе производства и эксплуатации двигателей.

Сплав содержит, мас. хром 2,5 5,6; алюминий 5,0 6,2; титан 0,7 1,5; молибден 1 4; вольфрам 10,5 13,0; тантал 0,01 4,5; рений 1,0 2,5; кобальт 5,0 9,5; ниобий 0,7 1,5; иттрий 0,002 0,075; лантан 0,001 0,05; церий 0,001 0,05; празеодим 0,0002 0,01; неодим 0,0002 0,005; гадолиний 0,0002 0,005; скандий 0,0002 0,005; никель остальное при суммарном содержании иттрия, лантана, церия, празеодима, неодима, гадолиния, скандия от 0,01 до 0,1% и дополнительно 0,04 0,07% углерода. Обеспечивается прирост жаропрочности полученных отливок сложной конфигурации, в частности охлаждаемых лопаток ГТД с циклонно-вихревой матрицей на 100 150% за счет соверщенствования структуры и устранения объемной рекристаллизации в процессе их изготовления. 2 табл.

МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ, содержащий хром, алюминий, титан, молибден, вольфрам, тантал, рений, кобальт, ниобий, иттрий, лантан, церий, празеодим, неодим, гадолиний и скандий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит углерод при следующем соотношении компонентов, мас.

Хром 2,5 5,5
Алюминий 5,0 6,2
Титан 0,7 1,5
Молибден 1,0 4,0
Вольфрам 10,5 13,0
Тантал 0,01 4,5
Рений 1,0 2,6
Кобальт 5,0 9,5
Ниобий 0,7 1,5
Иттрий 0,002 0,075
Лантан 0,001 0,05
Церий 0,001 0,05
Празеодим 0,0002 0,01
Неодим 0,0002 0,005
Гадолиний 0,0002 0,005
Скандий 0,0002 0,005
Углерод 0,04 0,07
Никель Остальное
причем суммарное содержание иттрия, лантана, церия, празеодима, неодима, гадолиния и скандия составляет 0,01 0,1 мас.