ЛИТЕЙНЫЙ НИКЕЛЕВЫЙ ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ
CAST NICKEL HEAT-RESISTANT ALLOY

Изобретение относится к металлургии, а именно к производству литейных никелевых жаропрочных сплавов, предназначенных для получения деталей, в том числе рабочих и сопловых лопаток газовых турбин с направленной столбчатой и монокристальной структурой, отливаемых методом направленной кристаллизации, работающих в условиях длительного комплексного воздействия высоких статических, циклических и термических нагрузок при температуре материала 1100°С и более.
1
1
Известен жаропрочный сплав на никелевой основе, предназначенный для литья деталей с монокристальной структурой. Сплав содержит следующие компоненты (мас.%): кобальт 0.0-15.0; хром 4.1-8.0; молибден 2.1-6.1; вольфрам 0.0-3.9; тантал 4.0-10.0; алюминий 4.5-6.5; титан 0.0-1.0; гафний 0.0-0.5; ниобий 0.0-3.0; рений 3.0-8.0; рутений 0.5-6.5; бор 0.0-0.05; углерод 0.0-0.15; кремний 0.0-0.1; иттрий 0.0-0.1; лантан 0.0-0.1; церий 0.0-0.1; ванадий 0.0-1.0; цирконий 0.0-0.1; никель остальное. При этом должно соблюдаться условие: P≤700, где P=137 (мас.% W)+24 (мас.% Cr)+46 (мас.% Mo) - 18 (мас.% Re) (патент ЕР 2128284 А1, С22С 19/05, опубл. 02.12.2009).
Указанный сплав обладает высоким уровнем жаропрочности ( МПа), характеризуется стабильностью структуры, однако легирование его элементами, отличающимися весьма высокой стоимостью и дефицитностью (рений и элемент платиновой группы рутений), делает сплав крайне дорогостоящим, что существенно снижает возможность его практического использования. Кроме того, для перспективных газотурбинных двигателей нового поколений требуются жаропрочные суперсплавы с более высоким уровнем жаропрочных свойств.
Известен также никелевый жаропрочный сплав для получения лопаток газовых турбин, имеющих монокристальную структуру, и содержащий (мас.%): хром 2.1-3.3; кобальт 5.0-7.0; молибден 3.5-5.1; 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 0.002-0.02; церий 0.001-0.02; лантан 0.002-0.25; неодим 0.0005-0.001; никель остальное (патент РФ №2293782, С 22 С 19/05, опубл. 20.02.2007).
Сплав обладает фазовой стабильностью, однако он также отличается весьма высокой стоимостью, поскольку содержит дорогостоящие элементы рений и рутений, а обеспечиваемый им уровень жаропрочности ( МПа) нуждается в совершенствовании.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является литейный никелевый жаропрочный сплав, предназначенный для литья деталей с монокристальной структурой, содержащий (мас.%): хром 0.0-3.0; кобальт 0.0-5.0; 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 0.0-0.01; скандий 0.05-01; кремний 0.05-1.0; магний 0.01-0.15; никель остальное (патент РФ №2383642, C22С 19/05, опубл. 10.03.2010).
Сплав имеет достаточно высокий уровень жаропрочности ( МПа), отличается фазовой стабильностью и относительно низкой стоимостью вследствие отсутствия в его составе дорогостоящего элемента платиновой группы рутения.
Однако для перспективных газотурбинных двигателей нового поколения необходимым является совершенствование состава сплава с целью получения более высокого уровня жаропрочности.
Задачей изобретения является обеспечение повышенного уровня жаропрочности сплава при сохранении относительно низкой его стоимости.
Указанная задача решается тем, что в известный литейный никелевый жаропрочный литейный сплав, содержащий хром, кобальт, вольфрам, алюминий, тантал, рений, углерод, иттрий, лантан, церий, неодим, скандий, кремний и магний, дополнительно вводят ванадий, кальций и празеодим при следующем соотношении компонентов (мас.%): хром 4.0-7.0; алюминий 4.0-6.0; кобальт 3.0-7.0; вольфрам 9.0-13.0; рений 3.0-5.5; углерод 0,04, или 0,05, или 0,06; тантал 10.0-12.0; лантан 0.001-0.1; иттрий 0.001-0.1; церий 0.001-0.1; неодим 0,006, или 0,008, или 0,8; магний 0.01-0.15; скандий 0.05-0.1; кремний 0.05-0.5; ванадий 0.05-0.3; кальций 0.001-0.015; празеодим 0.0008-0.008; никель остальное, при этом суммарное содержание вольфрама, рения и тантала должно находиться в пределах (мас.%) 25.3≤(W+Re+Ta)≤27.0, а суммарная концентрация хрома и кобальта ограничена значениями (мас.%) 8.7≤(Cr+Co)≤10.1.
В заявленном сплаве увеличено содержание хрома, что обеспечивает повышение жаростойкости и одновременно отсутствие условий для образования охрупчивающих ТПУ-фаз при высоком суммарном содержании вольфрама, тантала и рения, а также положительные значения разности параметров кристаллических решеток γ- и γ'-фаз, прямым образом определяющих уровень жаропрочности сплавов этого класса.
В составе сплава отсутствует элемент платиновой группы рутений, что заметно снижает его стоимость. Кроме того, с целью дополнительного уменьшения стоимости сплава без ухудшения его рабочих характеристик в сплаве снижено содержание рения (среднее значение концентрации этого элемента уменьшилось по сравнению с прототипом с 5 мас.% до 4.25%).
Для обеспечения высокого уровня жаропрочности общий интервал легирования сплава вольфрамом увеличен (среднее содержание его возросло с 10 до 11 вес.%).
Выполненные аналитические исследования и расчеты суммарной концентрации электронных вакансий элементов, входящих в образующуюся γ-фазу, показали, что скорректированный состав сплава допускает повышенное суммарное содержание влияющих непосредственно на уровень жаропрочности элементов - вольфрама, тантала и рения - без образования охрупчивающих ТПУ-фаз, однако при этом допустимые интервалы суммарной концентрации этих элементов, а также хрома и кобальта, влияющих на механизм образования охрупчивающих фаз σ-, µ- и др., становятся существенно более узкими и должны находиться внутри определенных значений. Именно это обстоятельство явилось причиной введения в формулу изобретения следующих условий:
25.3≤(W+Re+Ta)≤27.0 и 8.7≤(Cr+Co)≤10.1, где концентрации указанных элементов приведены в мас.%.
Введение в состав сплава ванадия объясняется его эффективным положительным влиянием на жаропрочность. Исследования показали, что этот элемент значительно улучшает прочностные характеристики никелевых сплавов при высоких температурах в интервале легирования 0.0-1.0 мас.%. Однако он одновременно оказывает заметное отрицательное влияние на жаростойкость, которое начинает появляться при его содержании в сплаве свыше 0.4-0.5 мас.%. Учитывая положительные и отрицательные последствия присутствия ванадия в никелевых жаропрочных сплавах, указанный элемент введен в состав сплава, однако его содержание должно находиться в пределах 0.05-0.3 мас.%. В этом случае реализуется его способность улучшать жаропрочность, а отрицательное влияние на жаростойкость не наблюдается.
Совершенствование конструкции лопаток связано в первую очередь с усложнением системы охлаждения и соответственно с уменьшением толщин стенок лопаток и усложнением условий заполнения жидким металлом формы. Указанное обстоятельство выдвигает на первый план задачу обеспечения достаточной жидкотекучести сплава, которая определяет качество заполнения полости формы и соответственно качество отлитых лопаток. Ситуация осложняется тем, что в высокожаропрочные сплавы вводят повышенное количество вольфрама, который улучшает жаропрочность, но при этом снижает технологичность (в первую очередь, жидкотекучесть сплава). Поэтому в предлагаемый состав введен дополнительный кальций в количестве 0.001-0.015 мас.%. Микролегирование кальцием, являющимся эффективным раскислителем, обеспечивает снижение в 2-10 раз содержание в сплаве остаточного кислорода, что, в свою очередь, приводит к повышению его жидкотекучести и улучшению заполняемости тонких объемов лопаточных форм.
Дополнительное введение в состав сплава празеодима обусловлено тем, что микролегирование этим элементом в пределах (0.0008-0.008) мас.%, имеющим, как и лантан, значительно больший атомный радиус, чем иттрий и церий, обеспечивает в комбинации с этим элементом:
более эффективное торможение диффузионных потоков, способствуя тем самым стабилизации структуры и замедлению процессов разупрочнения;
за счет снижения в окисном слое диффузии атомов никеля и образования вследствие этого более плотных окислов хрома вместо рыхлых соединений закиси никеля улучшение характеристик жаростойкости.
Дополнительное микролегирование этими элементами наряду с используемыми малыми добавками скандия, кремния, магния, неодима, а также лантана, иттрия и церия оказывает заметное облагораживающее влияние на структуру и соответственно на жаропрочность и стойкость к высокотемпературной газовой коррозии.
Для апробации сплава были выплавлены три состава, содержащие компоненты, представленные в таблице 1 (мас.%).
Сплав выплавляли в вакуумной индукционной печи, а затем переплавляли в печи для направленной кристаллизации с применением затравок заданной ориентации. Свойства полученных сплавов приведены в таблице 2.
Достигнутый уровень жаропрочности ( МПа) превышает соответствующий показатель сплава-прототипа, при этом сохранена его относительно низкая стоимость.