Жаропрочный литейный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него
NICKEL-BASED HEAT-RESISTANT FOUNDRY ALLOY AND ARTICLE MADE THEREFROM

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, рабочих лопаток турбины, работающих в газовой среде при высоких напряжений и температурах до 1000°C.
Известен жаропрочный сплав на основе никеля следующего химического состава, масс. %:
хром
6,5-10,5
кобальт
6,0-10,0
молибден
2,7-4,0
алюминий
4,8-5,7
титан
4,2-4,7
углерод
0,06-0,20
бор
0,005-0,015
цирконий
0,01-0,02
вольфрам
1,0-1,8
ниобий
0,5-1,0
церий
0,002-0,015
один элемент из группы,
включающей иттрий и скандий
0,0015-0,01
ванадий
0,1-1,0
кальций
0,001-0,015
лантан
0,002-0,02
никель
- остальное
(RU 2153020 С1, 20.07.2000).
Сплав отличается пониженной жаропрочностью и структурной стабильностью при длительной работе, связанной с выпадением охрупчивагощей σ-фазы, которая существенно понижает жаропрочность сплава, а также пониженной стойкостью к газовой коррозии.
Известен жаропрочный сплав на основе никеля следующего химического состава, масс. %:
углерод
0,13-0,20
хром
8-9,5
кобальт
9-10,5
вольфрам
9,5-11
молибден
1,2-2,4
ниобий
0,8 - 1,2
гитан
2,0-2,9
алюминий
5,1-6,0
бор
0,005-0,035
цирконий
0,01-0,05
церий
0,002-0,02
один элемент из группы,
включающей иттрий и скандий
0,0008-0,008
один элемент из группы,
включающей лантан и празеодим
0,0008-0,008
никель
- остальное,
причем должно соблюдаться условие: % Се : % Y(Sc) : % La(Pr) = 2,5:1,0:1,0 (RU 2148100 C1, 27.04.2000).
Данный сплав имеет умеренные характеристики стойкости к газовой коррозии, пластичности и невысокие значения длительной прочности при рабочих температурах.
Наиболее близким аналогом является жаропрочный сплав на основе никеля марки DS200 + Hf, предназначенный для литья рабочих и сопловых лопаток с направленной структурой авиационных газотурбинных двигателей и энергетических установок, содержащий, масс. %:
углерод
0,13
хром
8,6
кобальт
9,5
титан
1,87
вольфрам
11,8
ниобий
0,86
алюминий
4,9
бор
0,015
цирконий
0,01
гафний
1,58
железо
0,02
никель
- остальное
(L. Mataveli Suave, J. Cormier, P. Villechaise, D. Bertheau, G. Bcnoit, G. Cailletaud & L. Marcin. Anisotropy in creep properties of DS200 + Hf alloy / Materials at High Temperatures, DOI 10.1080/09603409.2016.1159836, 08.04.2016, page 3, table 1).
Сплав, взятый за прототип, имеет пониженные характеристики длительной прочности и стойкости к газовой коррозии при рабочих температурах 500-1000°С.
Таким образом, известные сплавы при рабочих температурах 500-1000°С не обладают оптимальным сочетанием служебных свойств (жаропрочность, 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 900-1000°C с одновременным повышением стойкости к высокотемпературной газовой коррозии (жаростойкости), а также повышение структурной стабильности сплава на ресурс.
Для достижения технического результата предложен жаропрочный литейный сплав на никелевой основе, содержащий углерод, хром, кобальт, титан, вольфрам, ниобий, алюминий, бор, цирконий, гафний, при этом он дополнительно содержит, по меньшей мере, один элемент из группы: иттрий, лантан и гадолиний, по меньшей мере, один элемент из группы: церий, празеодим и неодим, по меньшей мере, один элемент из группы: магний, кальций и барий при следующем соотношении компонентов, масс. %:
углерод
до 0,20
хром
5,0-11,0
кобальт
5,0-11,0
титан
1,5-3,0
вольфрам
8-13
ниобий
0,5-1,25
алюминий
4,0-6,0
бор
до 0,05
цирконий
до 0,05
гафний
1,0-2,0
по меньшей мере, один элемент из группы:
до 0,10
иттрий, лантан и гадолиний
по меньшей мере, один элемент из группы:
до 0,10
церий, празеодим и неодим
По меньшей мере, один элемент из группы;
до 0,05
магний, кальций и барий
никель
- остальное.
Также предложено изделие, выполненное из данного сплава.
Было установлено, что введение в сплав по меньшей мере одного редкоземельного металла (РЗМ) из иттриевой группы: иттрий, лантан и гадолиний, и по меньшей мере одного редкоземельного металла из цериевой группы: церий, празеодим и неодим, в заданных количествах способствуют выделению из у-твердого раствора ультрадисперсных паночастиц γ'-фазы размером до 100 нм, которые являются препятствием для перемещения дислокаций в процессе высокотемпературной ползучести, тем самым обеспечивая повышение жаропрочности.
Кроме того, РЗМ (иттрий, лантан, гадолиний, церий, празеодим и неодим) позволяют повысить стойкость сплава к 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 по меньшей мере одного щелочноземельного элемента из группы: магний, кальций и барий в расплав перед присадкой РЗМ (лантана, церия, иттрия, гадолиния, празеодима и неодима) позволяет повысить и стабилизировать степень усвоения этих элементов, что повышает структурную стабильность сплава на ресурс.
Сбалансированное сочетание легирующих элементов наряду с введением в сплав РЗМ (иттрия, лантана, гадолиния, церия, празеодима и неодима) позволяют повысить структурную стабильность сплава на ресурс за счет замедления диффузионных процессов при высокотемпературной ползучести и исключения появления в процессе наработки охрупчивающих фаз.
Содержание алюминия, титана, гафния и ниобия в указанных интервалах легирования обеспечивает в сплаве необходимое оптимальное количество упрочняющей γ'-фазы с целью повышения жаропрочности па длительных базах испытания.
Введение вольфрама, кобальта и хрома в указанных количествах обеспечивает твердорастворное упрочнение и структурную стабильность сплава. При введении в сплав повышенных количеств этих элементов в его структуре при эксплуатации выделяются топологически плотноупакованные (ТПУ) фазы, которые понижают длительную прочность.
Углерод, бор и цирконий в указанных количествах дополнительно упрочняют межзеренные и межфазные границы в структуре сплава и тем самым обеспечивают стабильно высокий уровень длительной прочности.
Предлагаемый сплав может быть использован для получения деталей как с равноосной, так с направленной и 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 направленной структурой преимущественно с кристаллографической ориентацией <001>.
После проведения термической обработки из заготовок были изготовлены образцы для испытаний па длительную прочность при высоких температурах, а также образцы для 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 напряжениях 340, 275 и 240 МПа на базе 100-1000 часов, а также при температуре 1000°С и напряжениях 180 и 133 МПа на базе 100-500 часов. От каждой плавки было испытано по два образца.
Испытания на высокотемпературную газовую коррозию проводили по ГОСТ 6130-71 при температуре 1000°С. Один цикл испытаний включал:
- загрузку образцов в горячую печь па 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).
Результаты испытаний на длительную прочность и жаростойкость (высокотемпературная газовая коррозия) образцов сплава приведены в таблице 2.
Полученные результаты показывают, что долговечность предлагаемого сплава при испытаниях па длительную прочность при всех режимах заметно превосходит долговечность сплава - прототипа, т.е. предлагаемый сплав обладает более высоким уровнем жаропрочности.
Он также обладает высокой стойкостью к газовой коррозии при температуре испытаний 1000°С: значение изменения массы образцов за 100 ч испытаний приблизительно на 30-40% ниже, чем у сплава-прототипа.
Металлографический анализ структуры разрушенных образцов после испытаний на длительную прочность при температурах 900 и 1000°С и напряжениях 240, 275 и 133 МПа соответственно на базе 500-1000 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 (структурной) стабильностью, что позволяет повысить ресурс работы и надежность изделий газотурбинных двигателей и установок, длительно работающих в агрессивных средах при повышенных температурах и напряжениях.