СОСТАВ ЖАРОПРОЧНОГО НИКЕЛЕВОГО СПЛАВА (ВАРИАНТЫ)
COMPOSITION OF HEAT-RESISTANT NICKEL ALLOY (VERSIONS)

Изобретение относится к металлургии сплавов, а именно к производству никелевых жаропрочных сплавов, используемых для изготовления методом монокристального литья деталей газотурбинных двигателей, например, турбинных лопаток, длительно работающих при высоких температурах 1000-1100°С.
Известен жаропрочный сплав CMSX-4, который применяется в качестве материала для монокристальных лопаток и представляет собой безуглеродистый монокристальный ренийсодержащий сплав (патент США №4643782, МПК С22С 19/05, 1987.02.17) - аналог.
Известный сплав имеет следующий химический состав (мас.%):
кобальт - 9,3-10,0
хром - 6,4-6,8.
молибден - 0,5-0,7,
вольфрам - 6,2-6,6,
тантал - 6,3-6,7,
алюминий - 5,45-5,75,
титан - 0,8-1,2,
гафний - 0,02-0,12,
рений - 2,8-3,2,
никель - остальное до 100%.
2
Известный сплав имеет невысокую жаропрочность (предел сточасовой прочности при температуре 1000°С равен 26 кгс/мм) и, кроме того, у него проявляется фазовая нестабильность, связанная с выделением топологически плотноупакованных фаз (ТПУ) фаз.
Известен сплав CMSX-10, применяемый для получения отливок лопаток с монокристаллической структурой следующего химического состава (мас.%):
углерод - до 0,04,
хром - 1,8-2,5,
кобальт - 1,5-2,5,
титан - 0,1-0,5,
алюминий - 5,5-6,1,
молибден - 0,25-0,6,
вольфрам - 3,5-6,0,
тантал - 8,0-9,0,
рений - 6,2-6,8,
ниобий - 0,01-0,1,
гафний - до 0,04,
бор - до 0,01,
иттрий - до 0,01,
церий - до 0,01,
лантан - до 0,01,
марганец - до 0,04,
кремний - до 0,05,
цирконий - до 0,01,
сера - до 0,001,
ванадий - до 0,01
никель - остальное до 100% (патент США №5540790, МПК: С22С 19/05, 1996.07.30) - прототип.
2
Предел длительной (сточасовой) прочности известного сплава при температуре 1000°С составляет 29-30 кгс/мм. При этом отмечается сравнительно высокая дисперсия долговечности образцов при их испытании на ползучесть, что свидетельствует о недостаточной сбалансированности химического состава сплава, принятого за прототип.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, по первому варианту является разработка сплава с более высоким уровнем жаропрочности и меньшей склонностью к образованию топологически плотноупакованных (ТПУ) фаз, особенно при длительной эксплуатации, т.е. повышение долговременных прочностных свойств сплава.
Указанный технический результат достигается тем, что состав никелевого жаропрочного сплава содержит никель, хром, кобальт, вольфрам, рений, тантал, иттрий, лантан и церий при следующем соотношении компонентов (мас.%):
хром - 1,0-4,0,
алюминий - 4,5-7,0,
вольфрам - 10,0-14,0,
тантал - 5,0-10,0,
рений - 4,0-7,0,
кобальт - 2,0-5,0,
иттрий - 0,003-0,1.
лантан - 0,001-0,1,
церий - 0,003-0,1
никель - остальное до 100%.
Известен жаропрочный сплав ЖС-32-ВИ химический состав которого включает (мас.%):
хром 4,3-5,6,
кобальт - 8,0-10,0,
вольфрам - 7,7-9,5,
алюминий - 5,6-6,3,
рений - 3,5-4,5,
тантал 3,5-4,5,
ниобий 0 1,4-1,8,
углерод - 0,12-0,18,
молибден - 0,8-1,4,
бор - 0,02,
церий - 0,025,
никель - остальное до 100%.
Недостатком известного сплава является низкий предел длительной прочности, а также возможность фазовых превращений с образованием ТПУ фаз (σ, µ) или карбидов Ме6С.
Известен сплав CMSX-10 применяемый для получения отливок лопаток с монокристаллической структурой следующего химического состава (мас.%):
углерод - до 0,04,
хром - 1,8-2,5,
кобальт - 1,5.2,5,
титан - 0,1-0,5,
алюминий - 5,5-6,1,
молибден - 0,25-0,6,
вольфрам - 3,5-6,0,
тантал - 8,0-9,0,
рений - 6,2-6,8,
ниобий - 0,01-0,1,
гафний - до 0,04,
бор - до 0,01,
иттрий - до 0,01,
церий - до 0,01,
лантан - до 0,01,
марганец - до 0,04,
кремний - до 0,05,
цирконий - до 0,01,
сера - до 0,001,
ванадий - до 0,01
никель - остальное до 100%, (патент США №5540790, МПК: С22С 19/05, 1996.07.30) - прототип.
2
Предел длительной (сточасовой) прочности известного сплава при температуре 1000°С составляет 29-30 кгс/мм. При этом отмечается сравнительно высокая дисперсия долговечности образцов при их испытании на ползучесть, что свидетельствует о недостаточной сбалансированности химического состава сплава, принятого за прототип.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение по второму варианту, является повышение жаропрочности никелевых сплавов для монокристального литья, например, лопаток газотурбинных двигателей, улучшение литейных свойств сплава, его технологической пластичности и повышение коррозионной стойкости заявляемого сплава.
Указанный технический результат достигается тем, что состав жаропрочного никелевого сплава, содержащий никель, хром, кобальт, вольфрам, алюминий, тантал, рений, молибден, иттрий, лантан и церий дополнительно содержит титан и ниобий при следующем соотношении компонентов (мас.%):
хром - 1,0-4,0,
алюминий 4,5-7,0,
титан ≤ 2,0,
молибден ≤ 4,0,
вольфрам - 8,0-14,0,
тантал - 5,0-10,0,
рений - 4,0-7,0,
кобальт - 2,0-5,0,
ниобий ≤ 2,0,
иттрий - 0,003-0,1,
лантан - 0,001-0,1,
церий - 0,003-0,1
углерод ≤ 0,1
никель - остальное до 100%.
Развитие современных жаропрочных никелевых сплавов (ЖС) последних поколений связано главным образом с применением двух основных подходов в области материаловедения и технологии:
- введением в систему легирования новых тугоплавких металлов, например, тантала и рения;
- использованием технологии направленной кристаллизации для получения монокристаллов.
Заявителем и авторами проведены теоретические и экспериментальные исследования, касающиеся влияния рения на структуру и свойства современных монокристальных жаропрочных сплавов, отличающихся высоким уровнем структурной стабильности. На основании полученных результатов был сделан вывод о том, что содержание рения должно быть ограничено сверху и это предельное содержание рения не должно превышать 7,0% от массового состава. Указанное ограничение связано со следующими особенностями физико-химических свойств рения:
- рений в отличие от тантала, вольфрама и ряда других тугоплавких металлов, практически не растворяется в γ'-фазе, количество которой в современных сплавах достигает 60-70 об.%. Это означает, что даже при полном отсутствии ликвации содержание рения в матрице более чем в вдвое превышает его номинальное значение в сплаве, что увеличивает склонность матрицы сплавов к выделению из нее рений содержащих фаз;
- рений не относится к числу сильных карбидообразующих элементов, но может активно стремиться к образованию промежуточных ТПУ фаз;
- рений является одним из наиболее сильно ликвирующих элементов жаропрочных сплавов. При этом выравнивание его концентрации происходит очень медленно;
- в сплаве даже с небольшим количеством рения (в зависимости от наличия в составе и количества других компонентов сплава) возможно выделение из матрицы хрупких пластин σ-фазы.
В заявляемых сплавах по первому и второму вариантах количество рения и система легирования сбалансированы таким образом, чтобы минимизировать возможность образования ТПУ фаз и, следовательно, охрупчивания сплавов.
Особенностью заявляемого сплава по первому варианту (КС-3) является высокое содержание вольфрама в заявленных пределах. Верхний предел содержания вольфрама ограничивает область концентраций, при выходе за которую возрастает вероятность выделения вольфрама из твердого раствора в виде α-фазы, которая не является таким эффективным упрочнителем как γ'-фаза на основе Ni3Al, а при содержании вольфрама ниже нижнего предела, его стабилизирующее воздействие на структуру ослабляется.
Заявляемое количество тантала вводится в состав никелевого жаропрочного сплава на фоне высокого содержания вольфрама. Система легирования заявляемого сплава (КС-3) сбалансирована таким образом, чтобы в сплаве не происходило выделения α-фазы несмотря на то, что тантал так же, как и вольфрам имеет ОЦК решетку.
Влияние тантала на свойства заявляемого сплава во многом сходно с влиянием вольфрама, тантал также характеризуется высокой когезивной прочностью, что характерно и для заявляемого, в заданном соотношении компонентов, сплава. Тантал распределяется между γ-матрицей и упрочняющей γ'-фазой, стабилизируя и упрочняя обе основные фазы жаропрочного сплава. При содержании тантала больше 10,0 мас.% возрастает вероятность его выпадения из твердого раствора в виде интерметаллидов Ni-Ta, а при содержании - меньше 5,0 мас.% его воздействие на свойства практически отсутствует.
Введение в заявляемый состав жаропрочного сплава указанного количества хрома, обусловлено необходимостью повышения его жаростойкости. При увеличении содержания хрома выше 4,0 мас.% возрастает вероятность образования топологически-плотноупакованной (ТПУ) фазы на основе хрома, которая охрупчивает сплав, кроме того, в сплавах с довольно высоким содержанием рения содержание хрома может быть снижено до 4,0 мас.%, так как рений относится к элементам, повышающим сопротивление сплава газовой коррозии.
Легирование сплава кобальтом в заявляемых количествах обусловлено необходимостью улучшения технологических характеристик сплава - технологической пластичности и литейных свойств, а также стойкости к коррозиии.
Система микролегирующих добавок, а именно совместное использование лантана, иттрия и церия в заявляемых количествах обеспечивает стабилизацию структурных дефектов в монокристаллах заявляемого сплава, а совместно с остальными компонентами состава сплава обеспечивает повышение жаропрочности по сравнению с прототипом.
Особенностью заявляемого сплава по второму варианту является аналогичность влияния рения, вольфрама, тантала, кобальта и системы микролегирующих добавок (иттрий, лантан и церий), но кроме этого, на свойства заявляемого сплава по второму варианту влияет наличие в его составе титана, молибдена, ниобия и возможно углерода.
Титан - это один из основных γ' образующих элементов, количество которого, с одной стороны, обеспечивает образование необходимого содержания упрочняющей γ'-фазы, а с другой стороны, ограничивает объем избыточной эвтектики (γ'+γ).
Ниобий и молибден - обеспечивают повышение долговечности материала в области температур ≈1000°С. Молибден является упрочнителем твердого раствора, однако наиболее существенно его вклад проявляется в изменении параметра γ - твердого раствора и, как следствие, морфологии упрочняющей вторичной γ'-фазы, делая ее кубической и тем самым, обеспечивая высокое сопротивление ползучести жаропрочных сплавов.
В состав сплава может вводиться углерод для образования второй упрочняющей фазы жаропрочных сплавов - карбидов. Суммарное содержание в заявляемом сплаве углерода и карбидообразующих элементов обеспечивает отсутствие охрупчивающих ТПУ фаз.
Заявляемый состав жаропрочного никелевого сплава по второму варианту в количественном и качественном составе обеспечивает наряду с повышением жаропрочности, улучшением литейных свойств сплава и его технологической пластичности, повышение коррозионной стойкости.
Примеры конкретного выполнения.
Для апробации результатов были отлиты сплавы по первому и второму вариантам. Отливка сплавов осуществлялась в вакуумно-индукционной печи «Кристалл» емкостью 5-10 кг. Порядок введения компонентов заявляемых составов сплавов является стандартным: никель, хром, кобальт, вольфрам, молибден, тантал, углерод, плавление, раскисление углеродом, последующее введение титана, алюминия и микролегирующих добавок (элементы с высокой активностью к кислороду) и разливка.
Для апробации сплава по первому варианту были выплавлены два состава сплава (один заявляемый и один сплав прототип - CMSX-10), содержащие компоненты (в мас.%), приведенные в Таблице 1.
Таблица 1Монокристальная структура, ориентация оси роста [100].
№ п/п
Компоненты состава сплавов
Cr
Al
W
Та
Со
Re
Y
La
Се
Ni
Заявляемый сплав
2,0
5,5
10,1
8,3
2,0
6,0
0,02
0,02
0,02
Ост.
CMSX-10
2,0
6,0
5,5
8,5
2,0
6,5
0,01
0,01
0,01
Ост.
После чего литые образцы подвергались высокотемпературному газостатическому уплотнению (заявляемый сплав), термической обработке и испытывались.
Результаты испытаний:
Сплав CMSX-10 (прототип):
Т=1000°С, σ100=290 МПа,
Заявляемый сплав.
Т=1000°С, σ100=330 МПа,
Для апробации сплава по второму варианту были выплавлены два состава сплава (один заявляемый и один сплав прототип - CMSX-10), содержащие компоненты (в мас.%) приведенные в Таблице 2.
№ п/п
Компоненты состава сплавов
Cr
Al
W
Та
Со
Y
La
С
Се
Ti
MO
Nb
Re
Ni
КС-3
1,9
5,2
10,1
7,5
2,2
0,015
0,015
0,004
0,015
0,3
0,1
0,3
5,5
Ост.
CMSX-10
2,0
5,6
4,5
8,5
2,0
0,01
0,01
0,02
0,01
0,4
0,4
0,05
5,5
Ост.
После чего литые образцы без последующей механической обработки испытывались.
Результаты испытаний:
Сплав CMSX-10 (прототип):
Т=1000°С, σ100=300 МПа,
Заявляемый сплав.
При температуре Т=1000°С и σ=300 МПа долговечность τ=174,2 час.
При температуре Т=1000°С и σ=250 МПа долговечность τ=648 час.
При температуре Т=800°С и σ=750 МПа долговечность τ=более 680 час.
Введение дополнительных легирующих элементов в заявляемый сплав по второму варианту приводит к улучшению литейной дендритной структуры - количество литейных микропор уменьшается на 20-30%, что может оказать положительное влияние на характеристики усталости сплава и долговечность на больших ресурсах.
Приведенные результаты испытаний показывают, что по сравнению с прототипом заявляемые сплавы по первому и второму вариантам обеспечивают достижение технического результата.