ЖАРОПРОЧНЫЙ ЛИТЕЙНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО
HEAT-RESISTANT NICKEL-BASED CASTING ALLOY AND A PRODUCT MADE FROM IT

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным жаропрочным сплавам на основе никеля, предназначенным для литья деталей горячего тракта газотурбинных двигателей и установок, например, монокристаллических рабочих лопаток турбины, работающих в газовой среде при высоких напряжениях и температурах до 1100°С.
Известен жаропрочный сплав на основе никеля следующего химического состава, масс. %:
кобальт
4,0-10,0
хром
4,0-10,0
молибден
0,5-2,5
вольфрам
4,5-9,0
алюминий
4,0-6,5
титан
1,5-3,0
тантал
4,0-9,0
гафний`
0-1,0
углерод
до 0,1
бор
до 0,01
никель
остальное
при этом сумма Al+0,56Ti составляет от 6 до 8% масс., отношение Ti/Al больше чем 0,35, сумма Al+0,56Ti+0,15 Ta+0,15Hf составляет от 7 до 10% масс., сумма Mo+0,52W составляет от 3 до 5,7% масс.
(US 2011076182 А1, 30.09.2009).
Сплав отличается пониженной длительной прочностью и структурной стабильностью в процессе эксплуатации, связанной с выпадением охрупчивающей σ-фазы, которая существенно понижает жаропрочность сплава, а также пониженной стойкостью к высокотемпературной газовой коррозии.
Известен жаропрочный сплав на основе никеля следующего химического состава, масс. %
углерод
0,05-0,2
хром
7,0-14,0
кобальт
8,0-15,0
вольфрам
9,0-12,0
молибден
0,7-3,0
ниобий
0,5-4,0
титан
1,0-4,0
алюминий
4,0-6,0
бор
0,0005-0,07
цирконий
0,01-0,1
церий
0,002-0,025
иттрий или скандий
0,0013-0,0085
никель
остальное
при соблюдении условия: % Се: % Y(Sc)=1,5-3,0 (RU 2070597 С1, 17.08.1993).
Известен жаропрочный сплав на основе никеля следующего химического состава, масс. %
углерод
0,02-0,3
хром
3,0-8,0
кобальт
5,0-15,0
титан
0,5-3,0
вольфрам
8,0-14,0
молибден
0,5-2,0
ниобий
0,5-2,0
алюминий
5,0-8,0
иттрий
0,002-0,1
лантан
0,001-0,1
неодим
0,001-0,05
празеодим
0,001-0,05
гафний
0,05-0,5
бор
0,01-0,3
церий
0,002-0,1
никель
остальное
(RU 1412342 С, 02.12.1986).
Указанные сплавы имеют невысокие характеристики длительной прочности и структурной стабильности в процессе наработки при рабочих температурах, а также малоцикловой и многоцикловой усталости.
Наиболее близким аналогом является жаропрочный сплав на основе никеля, предназначенный для литья рабочих лопаток с монокристаллической структурой авиационных газотурбинных двигателей следующего химического состава, масс. %:
кобальт
5,0-8,0
хром
6,5-10,0
молибден
0,5-2,5
вольфрам
5,0-9,0
тантал
6,0-9,0
алюминий
4,5-5,8
титан
1,0-2,0
ниобий
0-1,5
углерод
менее 100 ppm
бор
менее 100 ppm
цирконий
менее 100 ppm
никель
остальное
кроме того сумма Та+Мо+1/2W составляет от 11,5 до 13,5% масс., сумма Ti+Al+Ta+Nb составляет от 15,5 до 17% ат., сумма Ta+Nb+Mo+l/2W составляет от 4 до 5,5% ат., сумма Ti+Al+Ta+Nb+Mo+l/2W составляет от 17,5 до 19% ат., сумма Ti+Al составляет от 12,8 до 14,5% ат.(US 4639280 А, 27.01.1987).
Сплав, взятый за прототип, имеет умеренные характеристики длительной прочности и структурной стабильности на ресурс, но при этом пониженную стойкость к высокотемпературной газовой коррозии при рабочих температурах 900-1100°С. Кроме того, сплав отличается пониженной малоцикловой усталостью при Т=650°С и многоцикловой усталостью при комнатной температуре.
Таким образом, известные сплавы при рабочих температурах 900-100°С не обладают оптимальным сочетанием служебных свойств (длительная и усталостная прочность, сопротивление высокотемпературной газовой коррозии, структурная стабильность в процессе эксплуатации).
Задачей предложенного изобретения является разработка жаропрочного литейного сплава на основе никеля с улучшенным сочетанием служебных свойств.
Техническим результатом предложенного изобретения является повышение длительной прочности при температурах 900-1100°С с одновременным повышением стойкости к высокотемпературной газовой коррозии (жаростойкости), малоцикловой усталости при Т=650°С и многоцикловой усталости при Т=20°С, а также повышение структурной стабильности сплава на ресурс.
Для достижения технического результата предложен жаропрочный литейный сплав на никелевой основе, содержащий тантал, хром, кобальт, вольфрам, алюминий, молибден, титан, при этом он дополнительно содержит магний и, по меньшей мере, два элемента из группы: лантан, иттрий, гадолиний и эрбий, при следующем соотношении компонентов, масс. %:
тантал
7,5-8,5
хром
7,0-8,0
кобальт
6,0-7,0
вольфрам
5,0-6,0
алюминий
5,0-5,6
молибден
1,5-2,5
титан
1,0-2,0
магний
до 0,05
по меньшей мере два элемента
из группы лантан, иттрий,
гадолиний и эрбий:
до 0,3
никель
остальное.
Также предложено изделие, выполненное из данного сплава.
Было установлено, что введение в сплав по меньшей мере двух редкоземельных металлов (РЗМ) из иттриевой группы: лантана, иттрия, гадолиния и эрбия в указанных количествах способствует выделению из γ твердого раствора нанодисперсных частиц γ'-фазы размером до 100 нм, которые являются препятствием для перемещения дислокаций в процессе высокотемпературной ползучести, тем самым обеспечивая повышение длительной прочности при температурах 900-1100°С, малоцикловой усталости при температуре 650°С и многоцикловой усталости при комнатной температуре. Кроме того, их введение позволяет повысить сопротивление сплава высокотемпературной газовой коррозии (жаростойкости). Указанные добавки создают защитный барьерный слой на поверхности металла за счет их окисления и тем самым тормозят диффузионные потоки ионов кислорода с поверхности вглубь металла.
Было установлено, что введение магния в расплав перед присадкой РЗМ (лантана, иттрия, гадолиния и эрбия) позволяет повысить и стабилизировать степень усвоения этих элементов.
Сужение содержания тантала, хрома, вольфрама, молибдена, кобальта в сравнении со сплавом-прототипом наряду с введением в сплав, по меньшей мере, двух РЗМ (лантана, иттрия, гадолиния и эрбия) позволяет повысить длительную прочность и структурную стабильность сплава на ресурс за счет замедления диффузионных процессов при высокотемпературной ползучести и исключения появления в процессе наработки охрупчивающих фаз.
Содержание алюминия, титана, тантала и хрома в указанных интервалах легирования обеспечивает в сплаве необходимое количество упрочняющей γ'-фазы для обеспечения высоких и стабильных механических свойств, в частности длительной прочности.
Предлагаемый сплав предназначен для получения деталей с монокристаллической структурой.
Пример осуществления.
В вакуумной индукционной печи ВИАМ2002 были проведены пять плавок предлагаемого сплава и одна плавка сплава, взятого за прототип. Масса каждой плавки составляла 10 кг. Все плавки были переплавлены в установке направленной кристаллизации УВНК-9А и отлиты в блоки с заготовками под образцы с монокристаллической структурой с кристаллографической ориентацией <001>.
После проведения термической обработки из монокристаллических заготовок были изготовлены образцы для испытаний на длительную прочность при высоких температурах и испытаний на высокотемпературную газовую коррозию (жаростойкость).
Составы образцов сплавов приведены в таблице 1.
Испытания на длительную прочность проводили по ГОСТ 10145-81 при температуре 900°С и напряжении 385 МПа на базе 300 часов, при температуре 1000°С и напряжениях 240, 175 и 157 МПа на базах 100, 500 и 1000 часов соответственно, а также при температуре 1100°С и напряжениях 135, 115 и 100 МПа на базах 100, 500 и 1000 часов соответственно. От каждой плавки было испытано по два образца.
Испытания на высокотемпературную газовую коррозию проводили по ГОСТ 6130-71 при температурах 1000 и 1100°С. Один цикл испытаний включал:
- загрузку образцов в горячую печь на воздухе;
- выдержку образцов в течение 20 часов в печи;
- извлечение образцов и взвешивание.
Общая продолжительность испытаний - 5 циклов (100 часов).
Оценку стойкости образцов к высокотемпературной газовой коррозии (жаростойкости) проводили по удельному изменению (убыли) массы.
Испытания проводили над 5-ю образцами, после чего высчитывали усредненное значение их жаростойкости (газовой коррозии).
Испытания образцов на малоцикловую усталость проводили в соответствии с ГОСТ 25.502 на гладких образцах при Т=650°С и размахе деформаций цикла Δε=1,2% на образцах с диаметром рабочей части d=5 мм при контролируемой осевой деформации. Испытания проводились на сервогидравлической испытательной машине Walter Bai LFV-100 при нагружении с частотой 1 Гц, с синусоидальной формой цикла и коэффициентом асимметрии цикла R=0. Испытано по 5 образцов от каждой плавки.
Испытания образцов на многоцикловую усталость проводили в соответствии с ГОСТ 25.502 на гладких образцах с диаметром рабочей части d=5 мм при Т=20 и σ=425МПа по схеме нагружения «осевое растяжение-сжатие» с коэффициентом асимметрии цикла -1 на сервогидравлической испытательной машине Walter Bai LVF-100 при частоте 50 Гц и синусоидальном цикле нагружения. Испытано по 5 образцов от каждой плавки.
Результаты испытаний на длительную прочность и жаростойкость (высокотемпературная газовая коррозия) образцов сплава приведены в таблице 2. Результаты испытаний на малоцикловую и многоцикловую усталость приведены в таблице 3.
Полученные результаты показывают, что долговечность предлагаемого сплава при испытаниях на длительную прочность при рабочих температурах 900-1100°С значительно превосходит долговечность сплава - прототипа, т.е. предлагаемый сплав обладает более высоким уровнем жаропрочности.
Он также обладает высокой стойкостью к газовой коррозии при температурах испытаний 1000 и 1100°С: значение изменения массы образцов за 100 ч испытаний приблизительно на 50-75% ниже, чем у сплава-прототипа.
Кроме того, в сравнении со сплавом-прототипом, предлагаемый сплав отличается повышенной малоцикловой усталостью при Т=650°С и многоцикловой усталостью при комнатной температуре: число циклов до разрушения предлагаемого сплава при испытаниях на малоцикловую усталость превосходит в 3,8-4,4 раза, а при испытании на многоцикловую усталость - в 4,4-4,8 раза.
Металлографический анализ структуры разрушенных образцов после испытаний на длительную прочность по режимам: при температуре 900°С и напряжении 385 МПа, при температуре 1000°С и напряжениях 175 и 157 МПа и при температуре 1100°С и напряжениях 115 и 100 МПа соответственно на базе 300 - 1000 часов (табл. 2) не выявил образования охрупчивающих ТПУ-фаз (σ, μ и др.), что подтверждает высокую фазовую и структурную стабильность предлагаемого сплава.
Таким образом, предлагаемый сплав существенно превосходит сплав-прототип по долговечности и стойкости к высокотемпературной газовой коррозии (жаростойкости), обладает фазовой стабильностью, что позволяет повысить ресурс работы и надежность изделий газотурбинных двигателей и установок, длительно работающих в агрессивных средах при повышенных температурах и напряжениях.