ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ ДЛЯ ЛИТЬЯ ДЕТАЛЕЙ ГОРЯЧЕГО ТРАКТА ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК
REFRACTORY NICKEL-BASED ALLOY FOR CASTING GAS TURBINE HOT SECTION PARTS

Изобретение относится к металлургии, в частности к литейным жаропрочным коррозионно-стойким сплавам на основе никеля с хромом и кобальтом, и может быть использовано для изготовления литьем деталей горячего тракта газотурбинных установок, например рабочих лопаток газотурбинного двигателя с равноосной, направленной и монокристаллической структурами, работающих в агрессивных средах при температурах 700-1000°C.
3
Высокие прочностные характеристики таких сплавов достигаются за счет значительного количества (30-70 об.%) упрочняющей γ'-фазы (NiAl), легированной элементами ниобием, титаном, танталом и т.д., а также упрочнением твердого раствора (γ'-фазы) кобальтом, хромом, молибденом, вольфрамом и рением. Повышенную коррозионную стойкость обеспечивают высоким содержанием хрома (как правило 9-16 мас.%), высоким отношением содержания титана к алюминию Ti/Al≥1,0, а также введением рения и редкоземельных элементов. Сопротивление окислению при повышенных температурах обеспечивают повышенным содержанием алюминия и тантала, снижением содержания хрома и, в первую очередь, молибдена, а также введением редкоземельных элементов.
Структурная стабильность на ресурс (исключение образования охрупчивающих фаз) и ограничение образования при кристаллизации неравновесных фаз, на месте которых после их распада при термообработке будут зарождаться поры и трещины, могут быть оценены по известной методике ФАКОМП.
Характеристики длительной прочности, критические точки сплава и другие его физико-механические свойства также могут быть оценены по известным методикам.
(H.Harada и др., Сб. Superalloys, 1988; p.p.733-742; Сб. Superalloys, 2000; p.p.729-736.)
Известен литейный жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, алюминий, тантал, рений, ниобий, церий, иттрий, лантан, магний, гафний, бор и никель при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,12-0,18, хром 4,3-5,6, кобальт 8,0-10,0, вольфрам 10,9-12,5, молибден 2,5-3,5, титан 0,9-1,3, алюминий 5,65-6,25, тантал 0,15-0,35, рений 0,15-0,35, ниобий 4,0-4,8, церий 0,005-0,025, иттрий 0,005-0,025, лантан 0,005-0,05, гафний 0,01-0,1, бор 0,005-0,015, железо 0,1-1,0 и никель - остальное.
(RU 94023000, С22С 19/05, опубликовано 20.04.1997)
Недостатком известного сплава является его низкая коррозионная стойкость из-за пониженных содержаний хрома и рения, а также неоптимальным отношением содержания титана к содержанию алюминия. Кроме того, известный сплав имеет недостаточные стойкость к окислению и жаропрочность при температурах 850-950°C и пониженную структурную стабильность на ресурс в процессе наработки.
Известен жаропрочный сплав на основе никеля для изготовления литьем с направленной кристаллизацией (DS) элементов газовых турбин с монокристаллической структурой. Известный сплав включает углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, алюминий, тантал, рений, ниобий, церий, иттрий, лантан, магний, гафний, бор, железо, ванадий, марганец, родий, кремний, другие элементы и никель, при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0-0,15, хром 14,0-18,0, кобальт 2,0-4,0, вольфрам 1,7-2,8, молибден 1,0-2,4, титан 0-0,4, алюминий не менее 4,5, тантал 9,0-11,0, ниобий 0-0,25, гафний не менее 0,1, бор 0-0,02, никель - остальное, при этом суммарное содержание церия, лантана, иттрия, актиноидов и лантаноидов составляет 0-0,5, суммарное содержание рения, молибдена, вольфрама и рутения - 2,0-8,0, а суммарное содержание магния, кальция и меди - 0-0,5.
(US 2010296962, С22С 19/05, опубликовано 25.11.2010.)
Данный известный сплав также имеет низкую коррозионную стойкость ввиду весьма низкой величины отношения содержания титана к содержанию алюминия, недостаточные: стойкость к окислению; жаропрочность при температурах 850-950°C; структурную стабильность на ресурс в процессе наработки.
Таким образом, известные сплавы при рабочих температурах 800-1000°C в условиях агрессивной среды не обладают оптимальным сочетанием служебных характеристик (жаропрочность, сопротивление коррозии и окислению, структурной стабильностью на ресурс) с высокими технологическими характеристиками.
Целью изобретения и его техническим результатом является достижение: повышенной длительной прочности литых изделий в сочетании с высоким сопротивлением окислению и коррозионным воздействиям; повышенной структурной стабильности на ресурс; улучшения технологических характеристик сплава.
Технический результат достигается тем, что жаропрочный сплав на основе никеля для литья деталей горячего тракта газотурбинных установок содержит углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, алюминий, тантал, рений, ниобий, церий, иттрий, лантан, магний, гафний, бор и никель при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод
0,08-0,10
хром
8,85-9,15
кобальт
10,4-10,8
вольфрам
5,60-5,85
молибден
0,20-0,30
титан
3,0-3,2
алюминий
3,7-3,9
тантал
3,9-4,1
рений
2,9-3,1
ниобий
0,10-0,15
церий
0,010-0,012
иттрий
0,010-0,012
лантан
0,010-0,012
магний
0,010-0,012
гафний
0,10-0,15
бор
0,08-0,012
никель
остальное
при этом суммарное содержание церия, иттрия, лантана и магния - не менее 0,040-0,048 мас.%, суммарное содержание гафния и ниобия - 0,2-0,3 мас.%, а суммарное содержание алюминия и титана - 6,8-7,1 мас.% при отношении содержания титана к содержанию алюминия 0,81-0,825.
3
3
В сплаве по изобретению количество упрочняющей γ'-фазы (NiAl) составляет 57,2-59,4 ат.%, что обеспечивает высокий и стабильный уровень служебных характеристик, например жаропрочность: 309 - 317 МПа за 10 часов при 900°C.
Оптимальное содержание вольфрама, рения, тантала дает повышенную жаропрочность литого сплава, однако дальнейшее увеличение их суммарного содержания вызывает значительный рост температуры растворения γ'-фазы, что можно компенсировать увеличением содержания кобальта, но это удорожает сплав.
Заявленные содержания ниобия и гафния, включая их суммарное содержание, обеспечивают достаточную пластичность литого сплава на длительный ресурс и стабилизацию карбидов. При этом заявленные соотношения компонентов в сплаве исключают в процессе наработки появление охрупчивающих фаз и ограничивают выделение неравновесной эвтектической γ'-фазы (менее 1%), что обеспечивает пониженный объем усадочной пористости и повышает устойчивость к образованию трещин.
Достижение поставленного технического результата можно проиллюстрировать данными из таблиц 1 и 2.
Из данных табл.2, где приведены полученные с использованием известных расчетных методик характеристики сплавов с направленной структурой (DS) видно, что сплав по изобретению превосходит известный прототип по комплексу служебных характеристик.
Достигаемые повышенные значения жаропрочности и повышенное сопротивление агрессивным воздействиям среды предлагаемого сплава (по сравнению с известным) позволяют увеличить эксплуатационную надежность и срок службы изделий и, как следствие, приводит к снижению годовой потребности в металле. Причем стоимость шихтовых материалов сравниваемых сплавов примерно одинаковы.
Кроме того, узкие интервалы легирования позволяют уменьшить разброс значений служебных характеристик и обеспечивают гарантированные значения прочности и пластичности, закладываемые конструкторами в расчет изделия.
Заявленный состав сплава обеспечивает повышение характеристик жаропрочности в состоянии (DS) при 900°C на ~ 5,0% по напряжению (или практически в 1,2 раза по ресурсу), повышение сопротивления коррозионным воздействиям в агрессивных средах в 10-12 раз, возможность использования сплава в равноосном состоянии.
Таблица 1
Содержание компонентов, мас.%
Сплав по изобретению
Известный сплав
Вариант 1
Вариант 2
углерод
0,08
0,10
0,06
хром
8,85
9,15
14,0
кобальт
10,4
10,8
4,0
вольфрам
5,60
5,85
2.4
молибден
0,20
0,30
2,0
титан
3,0
3,2
0,4
алюминий
3,7
3,9
5,0
тантал
3,9
4,1
8,0
рений
2,9
3,1
2,0
ниобий
0,10
0,15
0,25
церий
0,010
0,012
0,015
иттрий
0,010
0,012
0,015
лантан
0,010
0,012
0,015
магний
0,010
0,012
0,015
гафний
0,10
0,15
0,05
бор
0,08
0,012
0,02
никель
остальное
остальное
остальное
суммарное содержание церия, иттрия, лантана и магния в равных долях
0,040
0,048
0,5
суммарное содержание гафния и ниобия
0,2
0,3
0,4
суммарное содержание алюминия и титана
6,7
7,1
5,4
отношение содержания титана к содержанию алюминия
0,81
0,8205
0,08
Таблица 2
Характеристики сплава
Сплав по изобретению
Известный сплав
Вариант 1
Вариант 2
1. Упрочняющая γ'-фаза
1.1. Объем γ'-фазы, ат.%
57,2
59,4
51,1
1.2. Суммарное содержание титана и алюминия, мас.%
6,7
7,1
5,4
1.3. Сольвус Тγ' осредненный,°С
1219
1232
1197
1.4. Степеньзалегированности γ'-фазы
1,023
1,072
1,269
1.5. Отношение содержания Ti/Al
0,81
0,82
0,08
1.6. Mismash при 900°С
0,0
-0,003
0,007
1.7. Количество неравновесной γ'-фазы, межось-литой,%
<1
<1,5
~6
2. Энергия дефектов упаковки в γ'-фазе
1,507
0,636
2,916
3. Плотность т/м<sup>3</sup>
8,63
8,62
8,5
4. Структурная стабильность ФАКОМП, M<sub>dyKp</sub>≤0,928 осреднен. с ТО
0,911
0,925
0,919
5. Длительная прочность
1) <maths num="1"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>δ</mi><mrow><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>3</mn></msup></mrow><mrow><msup><mrow><mn>850</mn></mrow><mo>∘</mo></msup><mi>C</mi></mrow></msubsup></mrow></math><img file="00000001.tif" he="9" wi="11" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
400
407
356
2) <maths num="2"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>δ</mi><mrow><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>3</mn></msup></mrow><mrow><msup><mrow><mn>900</mn></mrow><mo>∘</mo></msup><mi>C</mi></mrow></msubsup></mrow></math><img file="00000002.tif" he="9" wi="11" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
317
309
280
6. Сравнительная коррозионная стойкость lg Metall loss (JN792=0,26)
-0,595
-0,553
0,015
lg corros Rate (JN792=0,1)
-0,185
-0,256
0,366