Жаропрочный свариваемый сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него
HEAT-RESISTANT WELDED NICKEL-BASED ALLOY AND A PRODUCT MADE OF IT

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным деформируемым сплавам на основе никеля, и может быть использовано для изготовления деталей и компонентов газотурбинных двигателей, энергетических установок, силовых машин, работающих длительно при температурах от 600°С до 800°С и вплоть до температуры 900°С, в том числе, для нагруженных деталей и компонентов статора, изготовленных с применением сварки плавлением.
К жаропрочным свариваемым сплавам для статорных деталей газотурбинного двигателя (ГТД) предъявляются требования к характеристикам кратковременной прочности, длительной прочности, технологичности, необходимой при изготовлении полуфабрикатов и деталей из листового проката, в том числе требуется способность материала к сварке плавлением, например, способом аргонодуговой сварки.
3
3
Высокие характеристики кратковременной и длительной прочности при повышенных температурах в никелевых сплавах достигаются за счет дисперсионного упрочнения аустенитной структуры никелевого твердого раствора выделениями интерметаллидных фаз: γ'-фазы (NiAl) или γ''-фазы (NiNb) при выдержке в области определенных температур (температур старения), при которых происходит их наиболее интенсивное выделение. Уровень механических характеристик никелевых жаропрочных сплавов при повышенных температурах, особенно длительная прочность, определяется, с одной стороны, количеством образовавшейся при старении частиц упрочняющей фазы, с другой - их стабильностью, т.е. способностью сохранять морфологию и необходимую объемную долю частиц с ростом температуры.
3
Количество упрочняющей фазы регулируется, в основном, содержанием в никелевом сплаве таких элементов, как алюминий и титан, которое ограничено в той степени, при которой будет затруднена сварка деталей из-за образования горячих трещин, а также повышена твердость листовых полуфабрикатов, что ухудшает возможность холодной деформации при изготовлении деталей. Ниобий также входит в состав упрочняющей γ'-фазы, а при соотношении в сплаве атомных долей ниобия к сумме алюминия и титана менее 1,3, образует самостоятельную метастабильную фазу γ'' (NiNb), упрочняющая способность которой ограничена до температуры 650°С, выше которой происходит ее полиморфное превращение в фазу δ, таким образом долю γ'' -фазы стремятся сократить в пользу образования γ'-фазы.
3T
Помимо желательного выделения упрочняющих фаз, в сплавах с ограниченной долей алюминия и высоким содержанием титана и ниобия может образовываться более стабильная при высокой температуре η-фаза (NiiNb), ограничивая объем выделений γ'-фазы при более низких температурах старения. Выделяясь по границам аустенитных зерен, η-фаза не вносит значительного вклада в упрочнение, при этом, снижает пластичность сплава в области рабочих температур. По мере частичного растворения γ'-фазы, может образовываться дополнительное количество η-фазы.
Таким образом, при создании жаропрочных свариваемых сплавов требуется повышение значений длительной прочности при средней температуре 700°С и увеличение стабильности микроструктуры вплоть до температур 900°С при ограниченном дисперсном упрочнении для сохранения возможности производства деталей методами холодной деформации листа и аргонодуговой сварки.
Из уровня техники известен жаропрочный свариваемый сплав на никелевой основе ЭП693 (ХН68ВМТЮК), работоспособный до 900°С (ГОСТ 5632-2014), следующего химического состава, масс. %:
углерод
не более 0,1
кремний
не более 0,5
хром
17,0-20,0
марганец
не более 0,4
кобальт
5,0-8,0
вольфрам
5,0-7,0
молибден
3,0-5,0
алюминий
1,6-2,3
железо
не более 5,0
титан
1,1-1,6
сера
0,015
бор
не более 0,005
фосфор
0,015
церий
не более 0,005
никель
остальное.
в
100
100
20
700
900
Сплав обладает недостаточным уровнем кратковременной и длительной прочности в среднем интервале температур, кратковременная прочность при нормальной температуре σ=1080 МПа, длительная прочность при температуре 700°С составляет σ=490 МПа, а при температуре 900°С σ=90 МПа. Кроме того, избыточное содержание тугоплавких элементов, наряду с высоким содержанием хрома, может приводить к выделению топологически плотноупакованных фаз (ТПУ-фаз) неблагоприятной пластинчатой морфологии при эксплуатации.
Известен жаропрочный сплав марки Waspaloy (стандарт AMS 5704) следующего химического состава, масс. %:
углерод
0,02-0,1
хром
18,0-21,0
медь
не более 0,1
кобальт
12,0-15,0
железо
не более 2,0
молибден
3,5-5,0
марганец
не более 0,1
алюминий
1,2-1,6
фосфор
не более 0,015
титан
2,75-3,25
сера
не более 0,015
бор
0,003-0,01
кремний
0,15
цирконий
0,02-0,08
никель и примеси
остальное.
в
100
100
20
700
925
Сплав имеет недостаточную кратковременную и длительную прочность при температуре 700°С, так как его эффективное упрочнение в области старения затруднено из-за падения пластичности и растрескивания сварных соединений. Кратковременная прочность сплава Waspaloy при нормальной температуре σ=1335 МПа длительная прочность при температуре 700°С составляет σ=515 МПа, при температуре 925°С σ=66 МПа.
Известен никель-кобальтовый сплав (RU 2640695 С2, С22С 19/05, опубл. 11.01.2018) следующего химического состава, вес. %:
углерод
до 0,1
хром
13,0-23,0
кобальт
12,0-35,0
молибден
1,0-6,0
ниобий и тантал
4,7-5,7
алюминий
не более 3,0
титан
не более 2,0
бор
не более 0,02
цирконий
до 0,1
магний
не более 0,01
фосфор
не более 0,03
железо
не более 10,0
вольфрам
не более 4,0
ванадий
не более 4,0
никель и примеси
остальное.
100
700
Причем содержание кобальта должно быть от 11,5 до 35 (ат. %), а суммарное содержание алюминия и титана должно быть от 3,0 до 5,6 (ат. %). При этом строго ограничено содержание титана: не более 0,8 (ат. %), преимущественно от 0,05 до 0,5 (ат. %), таким образом, чтобы соотношение алюминия к титану составляло более 5, что призвано обеспечить структурную стабильность. Сплав обладает мелким зерном и высоким уровнем кратковременной прочности, относительно высоким уровнем длительной прочности при температуре 700°С σ=690 МПа.
Заявлено, что его структурная стабильность длительно сохраняется при температуре 800°С. Однако, в связи с высоким содержанием ниобия, при котором соотношение суммы атомных долей алюминия и титана к ниобию в сплаве составляет менее 1,3, стабильность упрочняющей γ'-фазы ограничена и при температурах 900-1030°С происходит ее полное растворение. Таким образом, заявленный сплав работоспособен до температуры 800°С.
Наиболее близким по заданным параметрам является жаропрочный свариваемый сплав ВЖ172 на основе никеля (RU 2256717 C1, С22С 19/05, опубл. 20.07.2005) с рабочей температурой до 900°С, имеющий следующий состав, масс %:
Углерод
0,02-0,10
Хром
12,0-20,0
Кобальт
8,0-20,0
Молибден
3,5-7,0
Вольфрам
0,5-3,0
Ниобий
3,2-6,5
Алюминий
1,0-1,8
Титан
1,0-1,6
Цирконий
0,4-1,4
Бор
0,0001-0,006
Магний
0,003-0,06
Лантан
0,003-0,08
Никель
Остальное.
в
100
100
20
700
900
Сплав обладает высокой прочностью при нормальной температуре σ=1320 - 1400 МПа, длительная прочность при температуре 700°С составляет σ=620 МПа, при температуре 900°С σ=80 МПа. Недостатком сплава является его структурная нестабильность при температуре 800°С, следствием которой является частичное растворение упрочняющей γ'-фазы и выделение в соответствующем объеме η-фазы, что приводит к снижению свойств кратковременной и длительной прочности. Кроме того, завышенное содержание циркония ведет к образованию нерастворимой эвтектической фазы с низкой температурой плавления.
100
в
в
700
20
800
Технической задачей и техническим результатом предлагаемого изобретения является разработка жаропрочного свариваемого сплава на основе никеля с повышенной длительной прочностью материала для деталей статора ГТД при температуре 700°С (σ), повышенной кратковременной прочностью при нормальной и повышенной температуре (σ, σ), обеспечением структурной стабильности при температуре 800°С и до температуры 900°С. Кроме того, при достижении указанных механических свойств должна быть обеспечена возможность холодной деформации сплава и свариваемость методом аргонодуговой сварки.
Для достижения поставленного технического результата предложен жаропрочный свариваемый сплав на основе никеля, содержащий кобальт, хром, вольфрам, молибден, ниобий, алюминий, титан, цирконий, углерод, бор, железо, магний, лантан, никель и неизбежные примеси, при этом он дополнительно содержит, по меньшей мере, один компонент, выбранный из тантала, ванадия и гафния, при этом сплав содержит компоненты при следующем соотношении, мас. %:
Углерод
0,005-0,10
Хром
13,0-19,0
Кобальт
10,0-21,0
Молибден
2,0-6,5
Вольфрам
0,7-3,0
Ниобий
3,6-4,65
Алюминий
1,9-2,6
Титан
0,4-1,15
Цирконий
0,11-0,25
Бор
0,0001-0,008
Лантан
0,0001-0,08
Магний
не более 0,06
Железо
не более 2,0
по меньшей мере один компонент, выбранный из тантала, ванадия и гафния:
Тантал
0,1-3,0
Ванадий
не более 0,8
Гафний
не более 0,1
Никель и неизбежные примеси
остальное.
Предпочтительно, содержание титана выбирается такое, чтобы соотношение алюминия к титану в атомных долях в предлагаемом сплаве составляло не менее Al/Ti≥3,7, при суммарном содержании алюминия и титана в атомных долях 6,3≥Al+Ti≥5,7 (ат. %), а содержание ниобия в сплаве в атомных долях составляет Nb≤2,8 (ат. %), причем соотношение суммы алюминия и титана к ниобию в атомных долях составляет (Al+Ti)/Nb≥2,2.
Также предложена деталь статора газотурбинного двигателя, выполненная из заявленного жаропрочного свариваемого сплава на основе никеля.
Предпочтительно, заявленная деталь статора газотурбинного двигателя, выполненная из жаропрочного свариваемого сплава на основе никеля, изготовлена с применением холодной деформации и аргонодуговой сварки полученных компонентов.
Кроме того, заявленная деталь статора газотурбинного двигателя, выполненная из жаропрочного свариваемого сплава на основе никеля в готовом состоянии подвергается упрочняющей термической обработке: отжигу, нагреву при температуре закалки, закалке, выполняемой путем охлаждения изделия на воздухе, в воде, в масле, в иной среде с коэффициентом теплопроводности, превышающий таковой для воздушной среды, выдержке-старению в области температур выделения упрочняющей γ'-фазы, осуществляемой при различных температурах с промежуточным охлаждением, охлаждению после старения любым из способов, при этом температура отжига выбрана в диапазоне от 40 до 120°С ниже температуры полного растворения упрочняющей γ'-фазы, температура закалки выбрана в диапазоне: от 10°С ниже температуры полного растворения упрочняющей γ'-фазы до 20°С выше температуры полного растворения упрочняющей γ'-фазы, температура первого нагрева для выделения упрочняющей γ'-фазы выбрана в диапазоне от 200 до 250°С ниже температуры полного растворения упрочняющей γ'-фазы, а температура второго нагрева для выделения упрочняющей γ'-фазы выбрана в диапазоне от 260 до 330°С ниже температуры полного растворения упрочняющей γ'-фазы, старение выполняется более чем за две операции в диапазоне указанных температур.
Увеличение механических свойств, прежде всего, длительной прочности в интервале температур 600-900°С в предлагаемом сплаве достигается за счет повышения доли алюминия с одновременным снижением доли титана, по сравнению с содержанием этих элементов в сплаве-прототипе. Соотношение алюминия к титану в атомных долях в предлагаемом сплаве не менее 3,7, при суммарном содержании титана и алюминия от 5,7 до 6,3 (ат. %), при которых обеспечивается возможность сварки плавлением и термической обработки готовых сварных соединений. Ниобий по настоящему изобретению находится в строго определенных пределах, суммарно не более 2,8 (ат. %), причем соотношение атомных долей суммы алюминия и титана к ниобию в сплаве должно быть более 2,2 для сохранения структурной стабильности. Содержание кобальта в указанных пределах определяет технологические свойства сплава, такие как возможность холодной прокатки и формовки, а также свариваемость методом аргонодуговой сварки. Кроме того, при легировании кобальтом в выбранных диапазонах обеспечивается эффективное упрочнение при старении и структурная стабильность сплава при температурах 800-900°С.Добавки тантала, циркония и ванадия в указанных пределах, не приводящих к образованию легкоплавких эвтектик, повышают эффективность дисперсного упрочнения при ограниченной доле частиц, увеличивая параметр гранецентрированной кубической решетки γ'-фазы, что более эффективно препятствует движению дислокаций. Сбалансированное, с точки зрения концентрации валентных электронов, легирование хромом, вольфрамом и молибденом обеспечивает высокотемпературные свойства сплава вплоть до 900°С, без риска образования ТПУ фаз, ведущих к потере пластичности. Добавки бора и лантана оказывают существенное влияние на прочность границ зерен и обеспечивают повышенную долговечность сплава, а магний, введенный в указанных пределах, способствует снижению количества вредных примесей и удалению окислов. Помимо ниобия и тантала, обеспечивающих в соединении с углеродом в выбранном диапазоне легирования образование стабильных карбидов, введение в сплав гафния позволяет повысить дисперсность карбидной фазы, что является важным при получении сплава методами металлургии гранул. Содержание железа до указанного предела способствует повышению технологической пластичности и свариваемости.
Примеры осуществления.
Была проведена выплавка слитков в вакуумно-индукционной печи из предлагаемого сплава различных составов и сплава - прототипа. Химический состав опытных плавок и плавки сплава-прототипа приведены в таблице 1.
Химический состав сплава по настоящему изобретению выбран с учетом оптимальных соотношений компонентов в атомных долях, которые указаны в сравнении со сплавом аналогом и другими в таблице 2.
Из слитков предлагаемого сплава и сплава-прототипа изготавливали кованые заготовки методом всесторонней горячей деформации на гидравлическом прессе усилием 1600 тс, после чего получившиеся кованые заготовки подвергали горячей прокатке на стане горячей прокатки типа «дуо».
Из полученных таким образом горячекатаных листов толщиной 12 мм отбирали образцы для испытаний. Часть листов прокатывали далее до толщины 4 мм, после чего подвергали отжигу, щелочно-кислотному травлению для обеспечения гладкой, свободной от окалины поверхности, и прокатывали на стане холодной прокатки типа «кварто» до толщины 2,0 мм. Из полученных холоднокатаных листов отбирали заготовки для изготовления образцов, предназначенных для проведения испытаний механических свойств, а также подвергали аргонодуговой сварке встык без присадочной проволоки.
Заготовки от горячего проката 12 мм, холодного проката 2,0 мм и сварных стыков, полученные аргонодуговой сваркой, подвергали термической обработке по одинаковому режиму для всех плавок, состоящему из отжига и закалки на воздухе, а также последующего 2-х этапного старения. Часть заготовок подвергли выдержке при температуре 800°С в течение 500 часов для исследования стабильности микроструктуры.
После термической обработки, из заготовок были изготовлены цилиндрические и плоские образцы для определения механических свойств (кратковременной и длительной прочности). Испытания проводили на разрывных и универсальных испытательных машинах. Результаты приведены в таблице 3.
Как видно из данных таблицы 3, предлагаемый сплав превосходит сплав-прототип по значениям кратковременной прочности на 10% при нормальной температуре, по длительной прочности на 10% при температуре 700°С и 900°С. Предлагаемый сплав при повышении механических свойств может быть подвергнут холодной деформации, детали из него соединены методом аргонодуговой сварки, после чего, сварное соединение может быть упрочнено без образования трещин.
Использование предлагаемого жаропрочного свариваемого сплава на основе никеля дает возможность создать ГТД, газотурбинные и энергетические установки с повышенными характеристиками за счет повышения температуры работы деталей статора из предлагаемого сплава до 800°С длительно и максимально вплоть до 900°С.