ЖАРОПРОЧНЫЙ ПОРОШКОВЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ
REFRACTORY POWDER NICKEL-BASED ALLOY

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии, в частности к порошковой металлургии жаропрочных сплавов на основе никеля, предназначенных для тяжелонагруженных деталей, работающих при повышенных температурах в газотурбинных двигателях (ГТД).
Известен жаропрочный никелевый сплав, предназначенный для деталей газовых турбин, состава (в мас.%):
Углерод
- 0,02-0,10
Хром
- 8,0-10,0
Вольфрам
- 5,2-5,9
Молибден
- 3,6-4,3
Титан
- 1,5-3,4
Алюминий
- 4,3-5,3
Ниобий
- 1,0-2,0
Гафний
- 0,1-0,4
Бор
- 0,001-0,05
Цирконий
- 0,001-0,05
Магний
- 0,001-0,08
Церий
- 0,001-0,06
Никель
- остальное
(Патент РФ 2131943, C22C 19/05, 1999 год).
Недостатками этого сплава являются низкие характеристики прочности, жаропрочности и чувствительность сплава к концентраторам напряжений при рабочих температурах, что существенно снижает ресурс работы изделия.
Известен жаропрочный сплав на основе никеля, состава (в масс.%):
Углерод
- 0,02-0,10
Хром
- 9,0-11, 0
Кобальт
- 14,0-16,0
Вольфрам
- более 5,5-6,5
Молибден
- 3,0-3,8
Титан
- 4,0-4,2
Алюминий
- 3,4-4,2
Ниобий
- 1,5-2,2
Гафний
- 0,1-0,2
Бор
- 0,005-0,05
Цирконий
- 0,001 - не более 0,005
Магний
- 0,001-0,05
Никель
- остальное
(патент РФ 2257420, C22C 19/05, 2005 год) - прототип.
в
0,2/100
650°C
Недостатками этого сплава являются низкие характеристики прочности (σ ) и ползучести (σ), и высокая скорость распространения усталостной трещины (СРТУ) при рабочих температурах.
Предлагается сплав на основе никеля, содержащий компоненты в следующем соотношении (в мас.%):
Углерод
- 0,06-0,13
Хром
- 8,0-12,0
Кобальт
- 14,0-16,0
Вольфрам
- 5,4-7,0
Молибден
- 2,0-3,5
Титан
- 3,0-4,5
Алюминий
- 3,0-4,5
Ниобий
- 1,5-2,5
Тантал
- 0,5-4,0
Гафний
- 0,05-0,5
Рений
- 0,2-0,7
Бор
- 0,005-0,05
Цирконий
- 0,001-0,05
Магний
- 0,001-0,05
Железо
- 0,01-1,0
Марганец
- 0,001-0,5
Кремний
- 0,001-0,5
Никель
- остальное.
Предлагаемый сплав отличается от прототипа тем, что он дополнительно содержит тантал, рений, марганец, кремний и железо при следующем соотношении компонентов в мас.%:
Углерод
- 0,06-0,13
Хром
- 8,0-12,0
Кобальт
- 14,0-16,0
Вольфрам
- 5,4-7,0
Молибден
- 2,0-3,5
Титан
- 3,0-4,5
Алюминий
- 3,0-4,5
Ниобий
- 1,5-2,5
Тантал
- 0,5-4,0
Гафний
- 0,05-0,5
Рений
- 0,2-0,7
Бор
- 0,005-0,05
Цирконий
- 0,001-0,05
Магний
- 0,001-0,05
Железо
- 0,01-1,0
Марганец
- 0,001-0,5
Кремний
- 0,001-0,5
Никель
- остальное.
Технический результат - повышение характеристик прочности, ползучести и снижение скорости распространения усталостной трещины при рабочих температурах и, как следствие, повышение ресурса работы и надежности изделия из предлагаемого сплава.
Это достигается тем, что предлагаемый состав порошкового сплава обеспечивает одновременное увеличение прочности границ и тела зерна за счет карбидного упрочнения, упрочнения γ-матрицы и γ'-фазы, а также одновременно позволяет исключить образование внутренних пор в процессе распыления порошка и, в результате, получать плотные беспористые заготовки, прессуемые из него.
Пример
Методом порошковой металлургии был изготовлен и опробован сплав предлагаемого состава
Углерод
- 0,09
Хром
- 10,0
Кобальт
- 15,0
Вольфрам
- 6,0
Молибден
- 2,5
Титан
- 3,8
Алюминий
- 3,8
Ниобий
- 1,8
Тантал
- 2,0
Гафний
- 0,2
Рений
- 0,5
Бор
- 0,02
Цирконий
- 0,02
Магний
- 0,03
Железо
- 0,5
Марганец
- 0,3
Кремний
- 0,2
Никель
- остальное.
Также был получен сплав по составу - прототипу.
Механические свойства при рабочей температуре 650°С предлагаемого сплава и сплава-прототипа определены по стандартным методикам испытания и представлены в таблице.
Таблица
650°С
Предел прочности σ<sub>В</sub>
Предел текучести σ<sub>0,2</sub>
Относительное удлинение δ
Относительное сужение ψ
Предел ползучести σ<sub>0,2/100</sub>
СРТУ ΔК=44 МПа·м<sup>0,5</sup>
МПа
%
МПа
мм/цикл
предлагаемый
1635
1189
12,6
16,3
998
1,5·10<sup>-4</sup>
прототип
1420
1088
7,5
7,8
830
8,2·10<sup>-4</sup>
Из таблицы видно, что сплав предлагаемого состава при рабочей температуре 650°С превосходит прототип по характеристикам прочности: на 13-15% по пределу прочности; на 8-10% по пределу текучести, а также на 18-20% - по пределу ползучести. При этом предлагаемый сплав имеет скорость распространения усталостной трещины в 5-6 раза меньше, чем прототип.
Таким образом, применение предлагаемого сплава для изготовления валов, дисков и др. деталей ГТД позволит повысить ресурс работы двигателя в 1,3-1,5 раза и увеличить его эксплуатационную надежность на 20-25%.