ЖАРОПРОЧНЫЙ ЛИТЕЙНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ
HEAT RESISTANT CAST ALLOY ON NICKEL BASE

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным сплавам на основе никеля, используемым для изготовления высоконагруженных деталей, например лопаток газовых турбин, работающих при температурах свыше 1000°С, методами направленной кристаллизации и монокристаллического литья.
Известен жаропрочный сплав для монокристаллического литья на основе никеля, содержащий следующие компоненты, мас.%: хром 2,1 - 3,3, кобальт 5,0 - 7,0, молибден 3,5 - 5,0, вольфрам 3,2 - 4,8, тантал 4,0 - 5,0, рений 5,6 - 7,0, рутений 2,0 - 6,0, алюминий 5,7 - 6,3, углерод 0,002 - 0,02, бор 0,0004 - 0,004, иттрий 0,002 - 0,2, церий 0,001 - 0,02, лантан 0,002 - 0,25, неодим 0,0005 - 0,01, никель - остальное (патент RU N22293782, МПК С22С 19/05, опубл. в 2007 г.).
Указанный сплав обладает достаточно высоким уровнем длительной прочности и стабилен при работе в условиях высоких температур, однако его недостатком является легирование дорогими и дефицитными элементами, прежде всего рением, а также элементом платиновой группы рутением. Кроме того, у сплавов, предназначенных для работы при температурах свыше 1000°С, стойкость к высокотемпературной газовой коррозии становится одной из важнейших характеристик, определяющих их работоспособность. В связи с этим требуется осуществление дополнительного легирования, направленного на повышение указанной характеристики, поскольку в сплаве-прототипе содержание хрома и кобальта, обеспечивающих защитные свойства материала, снижено.
Задачей изобретения является повышение высокотемпературной прочности и жаростойкости сплава при уменьшении его стоимости.
Указанная задача решается тем, что в известный жаропрочный литейный сплав на основе никеля, содержащий хром, кобальт, вольфрам, алюминий, тантал, рений, углерод, иттрий, лантан, церий и неодим, дополнительно введены скандий, кремний и магний при следующем соотношении компонентов, мас.%:
хром
до 3,0
кобальт
до 5,0
вольфрам
8,0-12,0
алюминий
4,3-5,6
тантал
9,0-13,0
рений
4,0-6,0
углерод
0,002-0,05
иттрий
0,003-0,1
лантан
0,001-0,2
церий
0,003-0,1
неодим
до 0,01
скандий
0,05-0,1
кремний
0,05-1,0
магний
0,01-0,15
никель
остальное
В заявленном сплаве увеличено количество тантала и вольфрама, чтобы компенсировать и даже усилить полезное влияние на структуру и свойства рения, содержание которого в сплаве снижено. Кроме того, из заявленного сплава полностью исключен элемент платиновой группы рутений, а также бор.
Химический состав предлагаемого сплава разработан на базе реализации методов интеллектуальной инженерии, включающей оценку следующих факторов: прогнозируемого уровня структурной стабильности, а именно вероятности образования топологически плотноупакованных и карбидных фаз, формирования эвтектических колоний (γ+γ') фаз и фаз с объемно-центрированной кубической решеткой при длительной наработке; кинетики диффузионного огрубления изолированных выделений γ' - фазы в матрице и пластинчатой рафт-структуры в монокристаллах.
В результате проведенного анализа было установлено, что в составе предложенного сплава вероятность образования нежелательных фаз мала и сам состав хорошо сбалансирован.
Значительное повышение качества сплава предложенного состава обеспечивается также дополнительным легированием его магнием, скандием и кремнием.
3
Введение магния заметно улучшает деформируемость никелевого жаропрочного сплава. Кроме того, оно способствует улучшению процесса распада γ-твердого раствора и образованию более дисперсной γ'-фазы, стабилизации структуры и замедлению процессов коагуляции упрочняющих частиц на базе интерметаллида NiAl, снижению диффузионной подвижности и совершенствованию межфазных границ. Поэтому введение магния в состав литейного жаропрочного сплава с направленной и монокристальной структурой обеспечило дополнительное повышение его жаропрочности.
Введение скандия значительно увеличивает жаростойкость предложенного сплава. Кроме того, он повышает технологичность при обработке материала давлением, а также оказывает рафинирующее действие, связывая серу, фосфор и другие вредные примеси.
Введение в состав предлагаемого сплава кремния обеспечивает дополнительное повышение его жаростойкости.
Указанные элементы совместно с лантаном, иттрием, церием и неодимом при концентрации в приведенных пределах оказывают совокупное влияние на жаропрочность и стойкость к высокотемпературному окислению, которые существенно выше суммарного влияния этих элементов.
Для апробации сплава были выплавлены три состава, содержащие компоненты в % по массе, представленные в таблице 1. Предлагаемый сплав выплавляли в вакуумной индукционной печи, а затем переплавляли в печи для направленной кристаллизации с применением затравок с заданной ориентацией. Свойства полученных сплавов приведены в таблице 2.
dл
Сопоставление времен до разрушения известного и предложенного сплавов показывает, что по удельной долговечности σ/d (d - удельный вес сплава) предложенный сплав, по крайней мере, не уступает известному сплаву.
При этом, учитывая, что в его составе присутствуют элементы, обладающие наиболее низкой диффузионной подвижностью при высоких температурах, в процессе эксплуатации предложенного сплава в области температур свыше 1100°С его преимущества по сравнению с прототипом становятся особо значительными.
Предложенный сплав обладает оптимальной структурой - в его составе наблюдается практически незначительное количество эвтектической γ'-фазы, отсутствуют α-фазы на основе вольфрама, рения, хрома, т.е. все введенные в сплав элементы обеспечивают необходимый вклад в увеличение жаропрочности. По сравнению со сплавом-прототипом он обладает более высокой структурной стабильностью - температура полного растворения в нем γ'-фазы составляет 1360-1366°С, в то время как в сплаве-прототипе 1320-1340°С. Стоимость предложенного материала оказывается более чем в два раза ниже стоимости известного сплава в зависимости от выбора конкретных композиций в заявленных диапазонах концентраций легирующих элементов, в его составе отсутствует остродефицитный рутений и снижено содержание рения, что обеспечивает решение задачи производства сплава в необходимом количестве.