ДЕФОРМИРУЕМЫЙ ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ
DEFORMABLE NICKEL-BASED HEAT-RESISTANT ALLOY

Предполагаемое изобретение относится к области металлургии, в частности, к жаропрочным сплавам на никелевой основе, и может быть использовано для изготовления дисков турбин газотурбинных двигателей и установок, предназначенных для работы в условиях активного воздействия высоких термических напряжений, температур, статических и переменных нагрузок.
Известен жаропрочный никелевый сплав, предназначенный для работы при высоких нагрузках и температурах, в частности, в газотурбинных двигателях, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, алюминий, ниобий, гафний, бор, цирконий, магний, церий, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
углерод
0,03-0,08
хром
9,0-11,0
кобальт
14,0-16,0
вольфрам
5,5-6,5
молибден
3,2-3,8
титан
3,8-4,2
алюминий
3,4-4,2
ниобий
1,5-2,2
гафний
0,2-0,4
бор
0,005-0,055
цирконий
0,001-0,055
магний
0,01-0,06
церий
0,001-0,55
никель
остальное
(описание изобретения к патенту РФ №2590792, С22С 19/05, опубл. 10.07.2016).
Сплав характеризуется высокими показателями длительной и кратковременной прочности во всем диапазоне рабочих температур, пластичности при горячей и холодной обработке. Его предел текучести при 20°С, равный (1185-1228) МПа и длительной прочности при 650°С (1108-1120) МПа стали соответствовать лучшему мировому аналогу - сплаву LSHR. Однако предел кратковременной прочности при 20°С (он уступает этому материалу). Кроме того в литературе указывается, что новое поколение никелевых жаропрочных сплавов для дисков газовых турбин должно обеспечивать более высокую работоспособность причем до температур (830-850)°С.
За рубежом наиболее высокую активность в деле создания нового поколения никелевых жаропрочных сплавов для дисков газовых турбин демонстрирует фирмы, Simens и др. В частности, известен созданный General Electric дисковый сплав, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, алюминий, ниобий, тантал, гафний, бор, цирконий при следующем соотношении компонентов, мас. %:
углерод
0,02-0,1
хром
11,5-14,3
кобальт
17,1-20,9
вольфрам
1,0-5,0
молибден
1,3-4,9
титан
1,7-5,0
алюминий
2,1-3,7
ниобий
0,9-2,5
тантал
4,4-5,6
гафний
0,0-0,6
бор
0,01-0,05
цирконий
0,02-0,08
никель
остальное
(патент USA №210/033665 А1, опубликован 02.12.2010).
При этом 0.55≤Al/Ti≤l,85 (для более узкого и более эффективного сплава 0.85≤Al/Ti≤l,02) Имеется также еще одно условие: l,31≤Mo/(Mo+W)≤4,2 (для более узкого и более эффективного сплава 0,51≤Mo/(Mo+W)≤0,76).
Известен жаропрочный никелевый сплав фирмы General Electric для изготовления дисков газовых турбин, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, алюминий, ниобий, гафний, бор, цирконий при следующем соотношении компонентов, мас. %:
углерод
0,04-0,2
хром
11,4-16,0
кобальт
18,0-30,0
вольфрам
0,0-0,0
молибден
5,5-7,5
титан
2,5-4,0
алюминий
2,5-3,5
ниобий
0,0-2,0
гафний
0,0-2,0
бор
0,01-0,05
цирконий
0,03-0,09
никель
остальное
(патент US 2010/033666 А1).
Сплав характеризуется следующими показателями:
Его особенность заключается в том, что, поскольку состав легирующих элементов всех последних сплавов примерно один и тот же, то обеспечение наиболее высоких показателей достигается оптимальным соотношением между отдельными элементами или группами элементов. В частности, в данном патенте указаны следующие условия легирования:
1) Ti/Al=0.71-1.6 (мас%/мас%) или Al/Ti=l,4-0,625 (мас%/мас%)
2) Mo(Mo+W)=0,51-l,0 (мас%)
В составе известных сплавов отсутствует рений Re (обеспечивающий высокотемпературную прочность сплавов), поэтому их эффективность при температурах более 750°С резко снижается.
Известен жаропрочный сплав на основе никеля для производства ответственных деталей ГТД и ГТУ - дисков газовых турбин, имеющий следующий химический состав (мас. %):
углерод
0,6-0,13
хром
8,0-12,0
кобальт
14,0-16,0
вольфрам
5,4-7,0
молибден
2,0-3,5
титан
3,0-4,5
алюминий
3,0-4,5
ниобий
1,5-2,5
тантал
0,5-4,5
гафний
0,05-0,5
рений
0,2-0,7
бор
0,005-0,05
цирконий
0,001-0,05
магний
0,001-0,05
железо
0,01-1,0
марганец
0,001-0,5
кремний
0,001-0,5
никель
остальное
(описание изобретения к патенту РФ №2410457, С22С 19/05, опубл. 27.01.2011).
Сплав характеризуется высокими показателями прочности, низкими ползучестью и скоростью распространения усталостных трещин при высоких температурах.
b
0.2
Однако уровень его кратковременной прочности σ и предела текучести σ при комнатной температуре (1600 МПа и 1150 МПа соответственно) уступает показателям сплавов МЕ3 (Rene104) и LSHR (равны 1650 и 1160, 1700 и 1210 МПа, соответственно), что снижает возможность удовлетворения требований конструкторов применительно к созданию перспективных объектов новой техники.
Наиболее близким к предлагаемому является жаропрочный никелевый сплав для дисков газотурбинных двигателей, содержащий кобальт, хром, вольфрам, молибден, рений, ванадий, алюминий, титан, ниобий, углерод, бор, лантан, церий, магний и скандий при следующем соотношении компонентов, мас. %:
кобальт
14,0-15,9
хром
9,7-12,0
вольфрам
1,5-3,5
молибден
3,5-4,5
рений
0,5-2,5
ванадий
0,4-0,7
алюминий
3,5-4,2
титан
2,5-3,5
ниобий
2,5-4,0
углерод
0,04-0,10
бор
0,007-0,014
лантан
0,005-0,015
церий
0,003-0,010
магний
0,004-0,015
скандий
0,003-0,015
никель
остальное
(описание изобретения к патенту РФ №2280091, МПК С22С 19/05, опубл. 20.07.2006, Бюл. №20.).
Известный сплав характеризуется высокими показателями прочности, низкими ползучести и скоростью распространения усталостных трещин при высоких температурах до 850°С.
в
0.2
Однако уровень его кратковременной прочности σ и предела текучести σ при комнатной температуре составляет 1535 МПа и 1177 МПа, соответственно, что снижает эффективность данного сплава в реальной конструкции, так как при высоких температурах эксплуатируется только венец диска, а ступица, воспринимающая всю нагрузку, формируемую центробежной силой, работает при значительно меньших температурах. По этой причине недостаток прочности при малых температурах приводит к значительному увеличению размеров и веса диска, что отрицательным образом сказывается на удельной тяге газотурбинного двигателя.
Задачей изобретения является увеличение надежности и ресурса дисков из жаропрочного никелевого сплава при более высоких термодинамических параметрах процессов.
Техническим результатом, на который направлено изобретение, является повышение длительной и кратковременной прочности жаропрочного сплава на основе никеля при хорошей пластичности во всем температурном интервале (от 20 до 850°С), который планируется к реализации в новых поколениях газотурбинных двигателей.
Технический результат достигается тем, что деформируемый жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, алюминий, ниобий, рений, бор, церий, лантан, магний, в отличие от известного, дополнительно содержит тантал, гафний, цирконий, иттрий при следующем соотношении компонентов, мас. %:
углерод
0,03-0,12
хром
7,0-10,0
кобальт
16,0-28,0
вольфрам
2,5-6,0
молибден
2,8-4,8
титан
2,5-5,4
алюминий
3,2-4,6
ниобий
0,5-3,0
тантал
2,6-4,6
гафний
0,05-0,2
рений
1,0-3,0
бор
0,005-0,015
цирконий
0,005-0,03
церий
0,01-0,05
лантан
0,01-0,05
иттрий
0,01-0,05
магний
0,01-0,06
никель
остальное.
Изобретение поясняется фиг., на которой изображена зависимость напряжение-деформация при растяжении образца предлагаемого сплава, выплавка (ВИ+ВДП)+ТО+деформация 1180°С + двухступенчатое старение.
Химический состав заявляемого сплава отличается от прототипа наличием тантала, содержанием титана, кобальта, хрома и рения, а также концентрацией вольфрама.
Увеличение содержания титана в сочетании с танталом обеспечивает повышение количества упрочняющей γ'-фазы, а также способствует росту температур ее растворения и замедлению ее коагуляции в процессе эксплуатации, за счет подавления диффузионных процессов, что положительным образом сказывается на фазовой стабильности и росте рабочих температур.
Содержание хрома, являющегося основным элементом, повышающим жаростойкость никелевых сплавов, в предлагаемом сплаве несколько ниже, чем в прототипе, что обеспечивает возможность введения большего количества тугоплавких элементов, таких как рений, вольфрам и молибден, без риска образования охрупчивающих ТПУ-соединений на их основе. При этом жаростойкость предлагаемого сплава сохраняется на достаточном уровне.
прγ'
S
Увеличение содержания кобальта положительным образом сказывается на технологичности сплава за счет расширения интервала между температурами полного растворения упрочняющей γ'-фазой (T) и температурой солидус (T). Также кобальт положительным образом сказывается на пластичности сплава.
Кроме того, поскольку состав легирующих элементов известных сплавов примерно один и тот же, то обеспечение наиболее высоких показателей достигается оптимальным соотношением между отдельными элементами или группами элементов. Исследования прочностных характеристик более 100 известных сплавов показали, что:
в
0,2
1) на уровень прочностных характеристик при 20°С (σ и σ) наибольшее влияние оказывают Ti, Nb, Та, Аl и W;
2) Ti, Та и Nb оказывают положительное влияние на длительную прочность при температурах до 650°С;
3) При температурах выше 650°С наиболее эффективно влияют Аl, Та, Nb и Re;
Следовательно, для достижения высоких прочностных свойств во всем температурном диапазоне эксплуатации перспективных сплавов необходимо в максимально возможной степени использовать сплав Ti, Nb, Та и Re.
3
3
3
Однако увеличение легирования фазы на основе NiAl такими γ'-образующими элементами, как Ti, Nb, Та, Hf и др. может привести к распаду γ'-частиц и образованию охрупчивающих электронных соединений типа η (на базе NiTi), δ (на базе NiNb, Та) и т.д.
Известна нижняя граница соотношения в γ'-фазе Аl и других γ'-образующих элементов, т.е. если:
то охрупчивающие соединения не будут образовываться.
Выполненные авторами исследования показали, что для получения высокопрочных и жаропрочных дисковых никелевых сплавов оптимальным является соотношение:
При этом должно быть обеспечено соотношение:
Кроме того, никелевая γ-матрица должна быть упрочнена Cr и Со на уровне
Cr
Co
19≤(С+С)≤39 мас%
Увеличение в составе сплава рения позволяет для снижения удельного веса и при этом увеличения высокотемпературной прочности частично использовать вместо тяжелого вольфрама более легкий молибден при следующем соотношении:
Гафний в составе сплава является сильным карбидообразователем. Это один из редких элементов, который позволяет одновременно повысить и прочность, и пластичность сплава.
Лантан, иттрий и церий заметно повышают жаростойкость сплава, также они значительно тормозят диффузионные процессы по границам зерен. Кроме того введение иттрия обеспечивает выпадение карбидов МС в процессе их кристаллизации при более высоких температурах (близких к ликвидус), чем в сплавах без иттрия, в которых «пик» выпадения карбидов находится вблизи солидуса.
Дополнительное введение в состав циркония повышает пластичность сплава и снижает скорость развития трещин.
Кроме того, из сплава исключен ванадий и скандий. Несмотря на положительное влияние ванадия на жаропрочность никелевых сплавов его эффективность относительно невелика, при этом он оказывает заметное отрицательное влияние на жаростойкость. Скандий вводится в сплавы для раскисления и рафинирования металла. В предложенном сплаве с этой ролью эффективно справляется комплекс легирования состоящий из La, Се и Y.
Пример осуществления.
С целью экспериментальной проверки методом (ВИ+ВДП) были отлиты заготовки и разработан режим их деформации. Из деформированных заготовок были изготовлены плоские образцы на растяжение с размерами рабочей части 8×3,5×1,5 мм, которые перед испытанием шлифовались для снятия напряженного слоя. Кратковременные испытания проводились при температуре 20°С.
Для апробации сплава были выплавлены три опытных состава предлагаемого сплава, содержание компонентов в которых приведено в таблице 1.
В таблице 2 представлены механические свойства образцов предлагаемого сплава в деформированном состоянии, полученного из металла ВИ и металла (ВИ+ВДП, многократный переплав) - сравнительные механические свойства при растяжении предлагаемого сплава после горячей деформации и упрочняющей термической обработки.
B
На фиг. приведена диаграмма растяжения образца из металла (ВИ+ВДП) при 20°С. Видно, что предел прочности материала σ превышает 1700 МПа при высоком уровне пластичности.
Сравнительные прочностные характеристики предлагаемого сплава и прототипа приведены в таблице 3.
* - где в числителе минимальные, а в знаменателе максимальные значения.
Предлагаемый дисковый сплав имеет наиболее высокие показатели прочности (при удовлетворительной пластичности) как при комнатных, так и высоких (750°С и выше) температурах. Предлагаемый сплав, полученный двойным вакуумным переплавом (ВИ+ВДП), имеет после деформации и двухступенчатого старения пределы прочности и текучести при 20°С, равные (1708 и 1205) МПа соответственно, а пластичность около 11%. Такие показатели не имеет ни один отечественный сплав, а среди зарубежных он соответствует самым высоким параметрам.
Предлагаемое техническое решение направлено на повышение длительной и кратковременной прочности при хорошей пластичности во всем температурном интервале, который планируется к реализации в новых поколениях газотурбинных двигателей. Это в свою очередь обеспечивает существенное увеличение надежности и ресурса дисков турбин при более высоких термодинамических параметрах процессов.