ЖАРОПРОЧНЫЙ ЛИТЕЙНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО
HEAT-RESISTANT NICKEL-BASE CASTING ALLOY AND ARTICLE MANUFACTURED FROM IT

Изобретение относится к металлургии сплавов, а именно к производству литейных жаропрочных сплавов на основе никеля, предназначенных для производства методом направленной кристаллизации деталей высокотемпературных газовых турбин, в том числе монокристаллических лопаток, длительно работающих при температурах свыше 1000°С.
Известен жаропрочный никелевый сплав для монокристаллического литья следующего химического состава (мас.%):
Хром
6,4-6,8
Кобальт
9,3-10,0
Вольфрам
6,2-6,6
Молибден
0,5-0,7
Титан
0,8-1,2
Алюминий
5,45-5,75
Тантал
6,3-6,7
Рений
2,8-3,2
Гафний
0,07-0,12
Никель
основа
(Патент США №4643782)
Сплав обладает высоким уровнем жаропрочности и применяется для изготовления рабочих и сопловых монокристаллических лопаток высокотемпературных газотурбинных двигателей. Однако этот сплав недостаточно технологичен при отливке монокристаллических лопаток, кроме того, при длительной эксплуатации в его структуре происходят необратимые изменения и появляются новые фазы, что приводит к снижению жаропрочных и механических свойств.
Известен жаропрочный никелевый сплав для монокристаллического литья состава (мас.%):
Хром
5,8-6,8
Кобальт
0,1-6,0
Алюминий
5,0-5,8
Вольфрам
6,0-7,8
Ниобий
0,05-0,5
Молибден
3,5-4,8
Тантал
6,0-7,8
Церий
0,002-0,02
Иттрий
0,002-0,02
Лантан
0,002-0,02
Никель
основа
(Патент РФ №1776076)
Недостатком известного сплава являются низкие технологические характеристики монокристаллических отливок, поскольку сплав склонен к образованию на поверхности отливок различных ростовых дефектов в виде «полосчатости» и «паразитных» равноосных зерен.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является сплав на никелевой основе, предназначенный для получения отливок методом направленной кристаллизации и монокристаллического литья. Сплав на основе никеля содержит углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, ниобий, алюминий, бор, ванадий, церий, иттрий, лантан, рений, тантал при следующем соотношении компонентов (мас.%):
Углерод
0,02-0,5
Хром
2,0-10,0
Кобальт
5,0-15,0
Вольфрам
2,0-10,0
Молибден
0,5-5,0
Ниобий
1,1-5,0
Алюминий
4,5-8,0
Бор
0,01-0,3
Ванадий
0,1-3,0
Церий
0,005-0,10
Иттрий
0,005-0,05
Лантан
0,001-0,2
Рений
1,0-5,0
Тантал
1,0-9,0
Никель
остальное
(Авторское свидетельство №1157865; Б.И. №16, 1997 г.)
Сплав обладает улучшенными литейными свойствами, повышенными характеристиками жаростойкости и жаропрочности, однако имеет ограниченный ресурс работы при температурах свыше 1000°С, что ограничивает его применение в деталях газотурбинных двигателей нового поколения.
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка жаропрочного литейного сплава на основе никеля с направленной и монокристаллической структурой для изготовления деталей газотурбинных двигателей, который имеет повышенный ресурс работы при температурах свыше 1000°С, высокую жаростойкость и не склонен к образованию дефектов, что позволит повысить выход годного литых изделий.
Для достижения технической задачи предложен жаропрочный литейный сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, ниобий, алюминий, рений, тантал, бор, ванадий, церий, иттрий, лантан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кремний, кислород и азот при следующем соотношении компонентов (мас.%):
Углерод
0,08-0,20
Хром
4,0-6,0
Кобальт
8,0-10,0
Вольфрам
7,0-10,0
Молибден
0,5-2,0
Ниобий
1,2-2,0
Алюминий
5,0-7,0
Рений
3,0-5,0
Тантал
3,0-5,0
Бор
0,005-0,03
Ванадий
0,01-0,15
Церий
0,001-0,04
Иттрий
0,003-0,04
Лантан
0,001-0,10
Кремний
0,01-0,20
Кислород
0,0001-0,002
Азот
0,0001-0,002
Никель
остальное,
и изделие, выполненное из него.
Преимущественно, суммарное содержание вольфрама, рения и тантала должно удовлетворять условию: 15,8≤(W+Re+Та)≤17,5.
По сравнению со сплавом-прототипом в предлагаемом сплаве установлены более узкие пределы легирования по углероду, хрому, кобальту, вольфраму, молибдену, ниобию, алюминию, рению, танталу, ванадию, что позволяет стабилизировать структуру и механические свойства предлагаемого сплава.
В отличие от сплава-прототипа в предлагаемом сплаве дополнительно содержатся строго регламентированные количества кислорода, азота и кремния.
Было установлено, что дополнительное содержание в сплаве кислорода и азота позволяет повысить жаропрочные свойства за счет образования в структуре монокристаллов ультрамелкодисперсных наноразмерных частиц оксидов и нитридов. Последние выделяются при кристаллизации между крупными частицами γ′-фазы, блокируют и задерживают перемещение дислокаций в процессе ползучести металла в условиях повышенных температур и напряжений, тем самым обеспечивая повышение жаропрочности сплава.
Однако получить существенное повышение жаропрочности можно при строго регламентированном содержании в сплаве кислорода и азота в пределах 0,0001-0,002% каждого. Это обусловлено тем, что при их содержании в сплаве свыше 0,002% каждого образуются с участием этих элементов крупные неметаллические включения (оксиды, нитриды), которые выделяются при кристаллизации и являются, с одной стороны, концентраторами напряжений, инициирующими зарождение трещины, с другой - источником гетерогенного зарождения равноосных «паразитных» зерен, что существенно снижает прочностные характеристики и стабильность свойств, а также приводит к повышенному браку изделий по различным структурным дефектам.
Было также установлено, что кремний в пределах 0,01-0,20% улучшает жаростойкость предлагаемого сплава при температурах 1000-1050°С за счет образования на поверхности металла защитной оксидной пленки, которая имеет высокую адгезию к основному металлу и не растрескивается при теплосменах. Однако при содержании кремния свыше 0,20% в структуре металла образуются неметаллические включения в виде силицидов, которые так же, как оксиды и нитриды, выделяются при кристаллизации и оказывают, аналогично кислороду и азоту, отрицательное влияние на свойства и структуру сплава, а также на выход годного отливок.
С целью исключения образования в структуре материала изделий из предлагаемого сплава нежелательных фаз, предпочтительно, особенно для отливок с монокристаллической структурой, соблюдение следующего соотношения вольфрама, рения и тантала 15,8≤(W+Re+Та)≤17,5.
Пример осуществления.
В вакуумной индукционной печи ВИАМ 2002 было выплавлено пять сплавов предлагаемого состава и один сплав состава, взятого за прототип. Масса металла каждой плавки составляла 10 кг. Все сплавы переплавили в установке для направленной кристаллизации УВНК-9 с жидкометаллическим охладителем. Из металла плавок №№1, 2, 3 были получены монокристаллические заготовки ориентации [001] с отклонением не более 10° диаметром 16 мм и длиной 200 мм, из металла плавок №№4, 5 были получены заготовки того же размера с направленной кристаллизацией. Из плавки №6 сплава-прототипа были получены монокристаллические заготовки, аналогичные заготовкам из плавок №№1, 2, 3. Из заготовок были изготовлены образцы (рабочий диаметр 5 мм, рабочая база 25 мм) для испытания на длительную прочность при высоких температурах. Испытания образцов проводили при температурах 1000, 1050 и 1100°С и напряжениях 250, 170 и 120 МПа соответственно.
2
Содержание компонентов (мас.%) в сплавах и результаты испытаний на длительную прочность представлены в таблицах 1 и 2 соответственно. Полученные результаты показывают, что долговечность предлагаемого сплава при испытании на длительную прочность при всех режимах заметно превосходит долговечность сплава-прототипа, т.е. предлагаемый сплав обладает более высоким уровнем жаропрочности. Предлагаемый сплав обладает более высокой жаростойкостью в сравнении со сплавом-прототипом: привес образцов при температуре испытаний 1050°С в течение 100 часов составил 0,2-0,3 г/м ч.
Металлографический анализ структуры разрушенных образцов при температурах испытаний 1000 и 1050°С не выявил при испытании образования выделений ТПУ-фаз, что подтверждает высокую фазовую и структурную стабильность предлагаемого сплава. При литье деталей из предлагаемого сплава не отмечено образования дефектов на поверхности отливок, что свидетельствует о высокой технологичности сплава: выход годного отливок увеличился на 40-55%.
Таким образом, предлагаемый сплав существенно превосходит известный сплав по жаропрочности и жаростойкости, что позволит повысить ресурс работы и надежность изделий, в частности лопаток и других деталей газотурбинных двигателей с направленной и монокристаллической структурой, длительно работающих при повышенных температурах и напряжениях.
Таблица 1
№ п/п
Сплав
C
Cr
Co
W
Mo
Nb
Al
Re
Ta
B
V
Ce
Y
La
Si
O<sub>2</sub>
N<sub>2</sub>
ΣW, Re, Ta
Ni
1
Заявляемый сплав
0,15
5,2
10,0
7,0
1,1
1,8
7,0
5,0
4,7
0,02
0,12
0,03
0,015
0,05
0,10
0,0013
0,001
16,7
основа
2
0,08
4,0
8,6
7,8
2,0
1,2
5,8
3,0
5,0
0,005
0,15
0,001
0,04
0,015
0,15
0,0001
0,002
15,8
основа
3
0,17
4,8
9,2
8,9
0,9
1,7
6,0
4,3
4,3
0,025
0,08
0,02
0,03
0,001
0,01
0,0006
0,0008
17,5
основа
4
0,20
5,7
8,0
10,0
0,5
2,0
5,0
5,0
4,5
0,015
0,10
0,04
0,003
0,03
0,05
0,002
0,0001
19,5
основа
5
0,11
6,0
9,5
8,0
1,5
1,5
6,5
4,6
3,0
0,03
0,01
0,01
0,02
0,10
0,20
0,001
0,0012
15,6
основа
6
Сплав-прототип
0,20
6,0
10,0
6,0
2,0
2,2
6,2
3,0
5,0
0,03
0,20
0,03
0,015
0,02
-
-
-
14,0
основа
Таблица 2
№ п/п
Сплав
Время до разрушения при испытании на длительную прочность, час
Привес образцов при 1050°С в течение 100 час,г/м<sup>2</sup> ч
Выход годного отливок, %
Температура испытаний 1000°С, напряжение 250 МПа
Температура испытаний1050°С, напряжение 170 МПа
Температура испытаний 1100°С, напряжение 120 МПа
1
Заявляемый сплав
175
177
165
0,20
85
2
180
182
173
0,25
93
3
177
186
160
0,25
90
4
186
192
176
0,30
88
5
180
180
169
0,25
92
6
Сплав-прототип
112
116
112
0,50
60