Жаропрочный никелевый сплав для литья деталей с монокристаллической структурой
HEAT-RESISTANT NICKEL ALLOY FOR CASTING PARTS WITH MONOCRYSTALLINE STRUCTURE

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству литейных жаропрочных никелевых сплавов с монокристаллической структурой, используемых при изготовлении деталей ответственного назначения газотурбинных двигателей и установок, в первую очередь, рабочих и сопловых лопаток газовых турбин, работающих при температуре 1000°С и выше.
Литейный жаропрочный сплав на основе никеля содержит (мас. %): углерод 0,005-0,02; хром 3,0-4,0; кобальт 5,0-6,5; вольфрам 2,0-3,5; молибден 2,5-3,5; алюминий 5,5-6,5; титан 0,4-1,5; тантал 7,0-9,0; рений 5,5-7,0; цирконий 0,01-0,05; иттрий 0,001-0,1; лантан 0,001-0,1; церий 0,001-0,1; кремний 0,01-0,2; марганец 0,01-0,2; бор 0,005-0,03; никель - остальное.
Представленный сплав по уровню жаропрочности соответствует (Re+Ru) монокристальным сплавам IV поколения, при этом в его составе отсутствует остродефицитный и крайне дорогой элемент платиновой группы Ru.
В настоящее время активно развивается новый класс газотурбинных двигателей, которые должны надежно работать при гораздо более высоких температурах газа перед турбиной, достигающих в эксплуатации (1900-2000) К. Успехи в данном направлении прямым образом связаны с созданием перспективных жаропрочных сплавов, достигающих уровня длительной жаропрочности  (100 часов при температуре 1000°С) порядка 300 МПа и более.
В настоящее время такому уровню соответствуют чрезвычайно дорогие сплавы, содержащие (Re+Ru). Стоимость одного килограмма такого сплава стала соизмеримой со стоимостью 1 кг самолета. Это обстоятельство существенно ограничило их использование в современной технике и весьма остро поставило вопрос о разработке сплавов с таким же (или более высоким) уровнем прочностных характеристик, но при этом совершенно не содержащих рутений и, по возможности, более экономно легированных рением.
Работы в указанном направлении весьма активно развиваются за рубежом. В результате появились новые сплавы фирмы Cannon Muskegon CMSX-10M (предназначенный для использования в истребителе 5-го поколения F-35), а также CMSX-4 мод., который обладает высоким уровнем жаропрочности - его
3
3
В России указанный уровень длительной прочности обеспечен сплавами ВЖМ-4 и ВЖМ-6, однако в их составе наряду с Re присутствует Ru. В РФ существует также сплав ВЖМ-1, который содержит достаточно большое количество Re (≈ 9,3 мас. %) и имеет сравнительно высокий удельный вес ≈ 9,1 г/см, и сплав СЛЖС-3, удельный вес которого  г/см.
3
Таким образом проблема создания в России безрутеневого сплава с длительно жаропрочностью  на уровне 300 МПа при удельном весе порядка 8,9 г/см является весьма актуальной.
Известен литейный жаропрочный никелевый сплав, имеющий следующий состав (мас. %):
алюминий - 5,0-6,0
тантал 6,0-9,5
титан 0-1,5
кобальт 8-10
хром 6-7
молибден 0,3-0,9
вольфрам 5,5-6,5
рений 0-2,5
гафний 0,05-0,15
платина 0,7-4,3
кремний 0-0,15
никель - остальное
Сплав разработан фирмой SAFRAN (Франция), патент №2019/234345, опубл. 04.06.2019 г.
3
Он обладает характерными для монокристальных сплавов II поколения удельным весом (8,82 г/см) и длительной прочностью (его =254 МПа).
Особенностью сплава является наличие в его составе значительного количества платины, что, с одной стороны, повышает его высокотемпературную стойкость против окисления, а с другой стороны - резко увеличивает стоимость. При этом уровень его высокотемпературных эксплуатационных характеристик в недостаточной степени отвечает современным требованиям.
Известен также литейный жаропрочный никелевый сплав для монокристального литья рабочих и сопловых лопаток газовых турбин (патент РФ №2220220, опубл. 27.12.2003 г.).
Сплав имеет следующий состав (мас. %):
хром - 2,0-3,0
кобальт - 9,5-13,0
алюминий - 5,3-5,9
вольфрам - 0,1-0,9
молибден - 1,0-2,0
тантал - 7,0-10,0
рений - 11,1-13,0
церий - 0,002-0,02
лантан - 0,021-0,2
иттрий - 0,002-0,02
углерод - 0,002-0,02
бор - 0,0004-0,004
никель - остальное.
Особенностью сплава является высокий уровень жаропрочности - его =330 МПа, что характерно для монокристальных сплавов IV поколения. Однако он является крайне дорогим, поскольку содержит наибольшее из всех известных сплавов количество дорогостоящего рения. Кроме того, он имеет высокий удельный вес , а это вызывает необходимость увеличения веса диска и газовой турбины в целом.
Известен также разработанный под аналогичные требования сплав CMSX-10M (США, US Pat. №5540790, Publ. 06.01.94). Сплав содержит (мас. %):
углерод - 0-0,04
хром - 1,8-2,5
кобальт - 1,5-2,5
вольфрам - 3,5-6,0
молибден - 0,25-0,6
титан - 0,1-0,5
алюминий - 5,5-6,1
ниобий - 0,01-0,1
тантал - 8,0-9,0
гафний - 0-0,05
бор - 0-0,01
цирконий - 0-0,01
церий - 0-0,01
лантан - 0-0,01
иттрий - 0,-0,01
рений - 6,2-6,8
кремний - 0-0,05
сера - 0-0,001
ванадий - 0-0,1
магний - 0-0,04
никель - остальное
3
Этот сплав имеет хороший уровень жаропрочных характеристик - его =291 МПа, он обладает высокой стойкостью против образования охрупчивающих ТПУ-фаз. Однако его удельный вес также достаточно высок и равен 9,05 г/см.
Известным является сплав на основе никеля CMSX-4 PLUS, разработанной фирмой Cannon Muskegon (US Pat. №9518311, опубл. 13.12.2016 г).
Сплав содержит (мас. %):
алюминий 5,6-5,8
кобальт 9,4-9,8
хром 3,2-3,9
тантал 7,8-8,5
вольфрам 5,3-5,7
молибден 0,5-0,7
рений 4,3-4,9
титан 0,75-0,9
гафний 0,08-0,15
никель - остальное
3
Сплав отличается высоким уровнем жаропрочности - его =293,7 МПа, при удельном весе 8,93 г/см, т.е. представленный сплав является одним из наиболее перспективных материалов имеющих характеристики монокристальных никелевых сплавов IV поколения, но при этом не имеющих в своем составе рутений. Однако и в этом случае желательно иметь сплав, отличающийся более высоким уровнем жаропрочности при схожем удельном весе.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является сплав для монокристального литья (патент РФ №2293782, опубл. 18.05.2007 г.), имеющий следующий химический состав (мас. %):
углерод 0,002-0,02
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
бор 0,0004-0,004
иттрий 0,002-0,02
церий 0,001-0,02
лантан 0,002-0,25
неодим 0,0005-0,01
никель остальное
3
Сплав имеет высокий уровень жаропрочности, его  равна 305 МПа, при этом его удельный вес составляет величину 8,9 г/см. Главным недостатком его является высокое содержание  крайне дорогих элементов Re и Ru. В результате существенно возросла его стоимость, что в конечном итоге серьезно ограничило возможности его применения.
Задачей изобретения (техническим результатом) является создание сплава, имеющего примерно такие же параметры жаропрочности и удельного веса, но при этом в его составе должен отсутствовать элемент платиновой группы рутений, а содержание Re должно быть значительно меньше суммарной концентрации (Re+Ru) в указанном сплаве.
Указанный технический результат достигается тем, что предложен жаропрочный никелевый сплав для литья деталей с монокристаллической структурой, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, тантал, рений, иттрий, лантан, церий, бор, отличающийся тем, что он дополнительно содержит титан, цирконий, кремний и марганец при следующем соотношении легирующих элементов (мас. %): углерод 0,005-0,02 хром 3,0-4,0 кобальт 5,0-6,5 вольфрам 2,0-3,5 молибден 2,5-3,5 алюминий 5,5-6,5 титан 0,4-1,5 тантал 7,0-9,0 рений 5,5-7,0 цирконий 0,01-0,05 иттрий 0,001-0,1 лантан 0,001-0,1 церий 0,001-0,1 кремний 0,01-0,2 марганец 0,01-0,2 бор 0,005-0,03 никель - остальное.
В составе заявленного сплава отсутствует рутений, положительно влияющий на жаропрочность. Поэтому с целью повышения высокотемпературных прочностных характеристик в сплаве заметно увеличено содержание тантала, значительно повышающего уровень жаропрочности. Относительное снижение удельного веса достигается более высоким по сравнению с аналогом суммарного содержания легких элементов (Al+Ti), которые одновременно также улучшают жаропрочность, увеличивая температуры начала и полного растворения упрочняющей γ'-фазы и тем самым повышая термостабильность сплава.
Дополнительное введение в сплав циркония обусловлено тем, что он повышает температуру полного растворения γ'-фазы и увеличивает ее объемное содержание. Кроме того, присутствуя в малых количествах, он способствует росту пластичности и снижает скорость развития трещины. Он также ослабляет вредное влияние на жаропрочность атомов кислорода, связывая их в тугоплавкие мельчайшие частицы, являющиеся дополнительными дисперсными упрочнителями.
С целью предотвращения распада γ-твердого раствора и выделения из нее охрупчивающих ТПУ-фаз введено условие, ограничивающее суммарное количество (Mo+W+Ta+Re), оказывающих наибольшее влияние на процессе образования этих соединений.
Условие основано на широко известной и активно применяемой в мировой практике зависимости, которая используется в методе New Phacomp, а именно:
i
где С - атомные концентрации соответствующих элементов в γ-фазе.
Наши исследования показали, что для сплава этой группы, имеющих весьма сложный состав,  должно быть равно 0,9.
Производя оценку по средним значениям концентрации в сплаве остальных элементов, получим следующее условие предотвращения процесса выделения ТПУ-образований:
i
где C - концентрации элементов (мас. %) в сплаве.
Для предотвращения процесса распада упрочняющей γ'-фазы используется следующее соотношение:
i
здесь C - концентрация (ат %) соответствующих элементов в γ'-фазе.
В Таблице 1 и 2 приведены сравнительные результаты свойств заявленного сплава и сплава, представленного в патенте РФ №2293782, который содержит  дорогостоящих элементов (Re+Ru).
Как видно из Таблиц 1 и 2, предлагаемый сплав по уровню жаропрочности отвечает лучшим мировым аналогам (сплавам CMSX-4 мод и CMSX-10M), причем он легче указанных сплавов.
Заявляемый сплав по своим эксплуатационным характеристикам соответствует сплаву - прототипу, при этом удельная стоимость его шихты почти на 18% ниже. Особенно стоит отметить, что в нем отсутствует содержание крайне дефицитного элемента платиновой группы рутения.
Предлагаемый сплав имеет оптимальную структуру, он отличается отсутствием охрупчивающих ТПУ-фаз и α-фаз на основе вольфрама, молибдена, рения и хрома. Его характеризует высокая структурная стабильность, чем позволяет использовать этот сплав при температурах 1100°С и выше.