ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ ДЛЯ ЛИТЬЯ РАБОЧИХ ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК
HEAT-RESISTANT ALLOY BASED ON NICKEL FOR CASTING OF WORKING BLADES FOR GAS TURBINES

Изобретение относится к металлургии, в частности, к литейным жаропрочным коррозионностойким сплавам на основе никеля с хромом, вольфрамом, танталом и кобальтом, и может быть использовано для изготовления литьем деталей горячего тракта газотурбинных установок, например, рабочих лопаток газовой турбины с равноосной или монокристаллической структурой, работающих в агрессивных средах при рабочих температурах 750-900°С.
3
Высокие прочностные характеристики таких сплавов достигаются за счет значительного количества (50-60 об. %) упрочняющей γ'-фазы (NiAl), легированной ниобием, титаном, танталом и т.д., а также упрочнением твердого раствора (γ-фазы) кобальтом, хромом, молибденом и вольфрамом. Повышенную коррозионную стойкость обеспечивают высоким содержанием хрома (10-15% мас. %) при отношении содержания титана к алюминию Ti/Al≥1,0; а также введением редкоземельных элементов. Сопротивление окислению при повышенных температурах обеспечивают повышенным содержанием алюминия, тантала и, в первую очередь, снижением содержания молибдена, а также введением редкоземельных элементов.
Известен жаропрочный сплав на основе никеля (IN792-5A) для литья лопаток газотурбинных установок с равноосной структурой, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, титан, тантал, цирконий, бор, ниобий, кремний, железо серу, фосфор и никель при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 0.08; хром 12,5; кобальт 8,91; вольфрам 4,01; молибден 1,9; алюминий 3,42; титан 4,01; тантал 4,0; цирконий 0,020; бор 0,018; ниобий 0,03; кремний ≤0,02; железо 0,22; сера ≤0,001; фосфор ≤0,005 и никель - остальное.
(Jiri Zyka, Karel Hrbacek, Vaclav Sklenicka, Analysis of creep tests of the IN792 alloy, Hradec nad Moravici, 19-21 May 2009, Metal 2009)
Известный сплав имеет удовлетворительную жаропрочность и коррозионную стойкость, а также значительный объем (~5 объ. %) неравновесной эвтектической фазы, что при литье рабочих лопаток газовой турбины приводит к повышенной пористости отливки и снижению служебных характеристик изделия. На эвтектических выделениях и на иглообразной по форме σ-фазе при эксплуатации изделий зарождаются трещины, которые распространяются по границам зерен, снижая уровень кратковременной и длительной прочности на 15-20%.
Наиболее близким является жаропрочный сплав на основе никеля для изготовления рабочих лопаток газовых турбин с равноосной и направленной структурой. Известный сплав включает углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, титан, тантал, цирконий, бор, гафний, железо, медь, серу, азот, кислород и никель при следующем соотношении компонентов, масс. %: углерод 0,04-0,12; хром 11,5-12,5; кобальт 11,5-12,5; вольфрам 3,3-3,7; молибден 1,7-2,1; алюминий 3,35-3,65; титан 4,85-5,15; тантал 2,3-2,7; цирконий ≤0,020; бор 0,010-0,020; гафний ≤0,05; железо ≤0,15; медь ≤0,10; серу ≤0,0012; азот ≤0,020; кислород ≤0,010; никель остальное.
(RU2443792, С22С 19/05, опубликовано 27.02.2012)
Однако, данный известный сплав при высоких показателях коррозионной стойкости имеет склонность к разупрочнению при рабочих температурах выше 800°С. При этом изделия из известного сплава имеют до 7 об. % эвтектических выделений. Кроме того в сплаве в процессе наработки выделяется до 5 об. % охрупчивающей σ-фазы, что снижает служебные характеристики изделия.
Целью изобретения и его техническим результатом является повышение длительной прочности жаропрочного сплава для литых лопаток газовых турбин с равноосной или монокристаллической структурой в сочетании с высоким сопротивлением окислению и коррозионным воздействиям, а также повышенной структурной стабильностью на ресурс.
Технический результат достигается тем, что жаропрочный сплав на основе никеля для литья рабочих лопаток газотурбинных установок, включает углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, титан, тантал, цирконий, бор, гафний, железо, медь, серу, азот, кислород, ниобий, церий, кремний, марганец и фосфор и никель, при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 0,05-0,10; хром 11,8-12,6; кобальт 8,4-9,2; вольфрам 4,2-4,8; молибден 1,0-1,5; алюминий 3,0-3,4; титан 3,7-4,15; тантал 4,0-4,5; цирконий 0,01-0,025; бор 0,005-0,02; гафний 0,06-0,15; железо 0,08-0,3; медь ≤0,05; сера ≤0,005; азот ≤30 ppm; кислород ,20 ppm; ниобий 0,05-0,15; церий 0,002-0,012; кремний 0,002-0,012; марганец 0,002-0,012; фосфор ≤0,005; никель остальное, при этом суммарное содержание ниобия и гафния составляет ≤0,20 мас. %, церий, кремний и марганец содержатся в равных количествах, а суммарное содержание алюминия и титана составляет 7,0-7,5 мас. % при отношении содержания титана к содержанию алюминия ≥1,2.
Оптимальное содержание вольфрама 4,2-4,8 мас. % и тантала 4,0-4,5 мас. % дает повышенную жаропрочность литого сплава, однако, дальнейшее увеличение их суммарного содержания вызывает значительный рост температуры растворения γ'-фазы, что можно компенсировать увеличением содержания кобальта, но это удорожает сплав.
Гафний в количестве 0,06-0,15 мас. % в сочетании с ниобием в концентрации 0,05-0,15 мас. % и цирконием 0,01-0,025 мас. % при содержании углерода 0,05-0,10 мас. % обеспечивают стабилизацию карбидов и достаточную пластичность литого сплава на длительный ресурс, как в монокристаллическом, так и в равноосном состояниях.
Достигнутый уровень жаропрочности был также обеспечен за счет достижения объема упрочняющей γ'-фазы 52,8-54,4 ат. % введением 3,0-3,4 мас. % алюминия и 3,7-4,5 мас. % титана при их суммарном содержании 7,0-7,5 мас. % при отношении содержания титана к содержанию алюминия ≥1,2.
Выбранные ограниченные концентрации хрома 11,8-12,6 мас. %, кобальта 8,4-9,2 мас. %, молибдена 1,0-1,5 мас. %, формирующие охрупчивающую σ-фазу, позволили устранить ее выпадение при эксплуатации, при том, что:
- высокое отношение содержания титана к содержанию алюминия ≥1,2 в сочетании с хромом и ограничением содержания молибдена, присутствия редкоземельных металлов, марганца (0,002-0,12 мас. %) и кремния (0,002-0,12 мас. %) способствуют повышенной коррозионной стойкости предлагаемого сплава;
- оптимальные содержания алюминия и тантала при пониженном содержании молибдена 1,0-1,5 мас. % совместно с редкоземельными элементами позволили обеспечить повышенное сопротивление окислению;
- умеренное содержание кобальта 8,4-9,2 мас. % и указанные содержания вольфрама и тантала обеспечили невысокую температуру полного растворения γ'-фазы (1180-1190°С), что делает сплав достаточно технологичным при проведении термической обработки.
Выбранные оптимальные концентрации титана, алюминия и ниобия (0,05-0,15 мас. %) позволили существенно ограничить объем эвтектических фаз до 1,5 об. %.
Содержание ниобия 0,05-0,15 мас. %, гафния 0,06-0,15 мас. % и циркония 0,01-0,025 мас. % позволило добиться структурной стабильности карбидов на границах зерен, повышенной длительную пластичность нового сплава на ресурс и высокого сопротивления зернограничной коррозии, чему также способствуют введенные в равной концентрации (0,002-0,012 мас. %) церий, кремний и марганец и ограниченные содержания серы (не более 0,005 мас. %), фосфора (не более 0,005 мас. %) и меди (не более 0,05 мас. %).
При этом содержание бора 0,005-0,02 мас. %, железа 0,08-0,3 мас. % и заявленные соотношения компонентов в сплаве исключают в процессе наработки появление охрупчивающих фаз и ограничивают выделение неравновесной эвтектической фазы до 1,5%, что обеспечивает пониженный на 25% по сравнению с прототипом объем газоусадочной пористости и повышает устойчивость изделия к образованию трещин. Этому также способствует ограничения содержания в металле азота ≤30 ppm и кислорода ≤20 ppm.
Достижение необходимого технического результата можно проиллюстрировать данными из Таблиц 1 и 2.
Структурная стабильность на ресурс (исключение образования охрупчивающих фаз) и ограничение образования при кристаллизации неравновесных эвтектических фаз, на месте которых после их распада при термообработке будут зарождаться поры и трещины, были оценены по известной методике ФАКОМП. Кроме того, характеристики длительной прочности, критические точки сплава и другие его физико-механические свойства были оценены по известным методикам.
(H.Harada и др., Сб. Superalloys, 1998, pp.733-742, Сб. Superalloys, 2000, pp.729-736)
Из представленных данных следует, что сплав по изобретению за счет выбранных концентраций углерода и бора обеспечивает получение рабочих лопаток с равноосной структурой, целиком с монокристаллической структурой или с монокристаллической структурой профильной части и хвостовика и с равноосной структурой слабонагруженных бандажных полок. При этом служебные характеристики металла полок с равноосной структурой будут не хуже чем, например, у известного сплава-прототипа.
При этом преимуществом рабочих лопаток с равноосной структурой бандажных полок позволит обеспечить повышение выхода годного и снизить стоимость литых заготовок рабочих лопаток.
Кроме того, что сплав по изобретению с равноосной структурой по коррозионной стойкости равен прототипу, но превосходит его по длительной прочности на 15-20%.
Использование сплава в изделиях с монокристаллической структурой дает повышение жаропрочности на 15-20% по сравнению с равноосной структурой изделий и увеличивает ресурс на 30-50%.
* - значения для металла с равноосной структурой
** - значения для металла с монокристаллической структурой