ЛИТЕЙНЫЙ ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ
CAST HEAT RESISTANT ALLOY ON BASE OF NICKEL

Изобретение относится к металлургии сплавов, в частности к производству никелевых жаропрочных сплавов с поликристаллической равноосной структурой и изготовлению из них деталей газотурбинных двигателей, например сопловых и рабочих лопаток газовых турбин и роторов.
Известен литейный жаропрочный сплав на никелевой основе следующего химического состава, мас.%:
Хром
8,75-10,25
Вольфрам
11,0-16,0
По крайней мере, один элемент
из группы, включающей
ниобий или тантал или их
суммарное содержание
0,8-1,8
Алюминий
4,75-5,5
Титан
0,75-2,5
Кобальт
8,0-12,0
По крайней мере, один элемент
из группы, включающей
цирконий и
0,03-0,12
бор
0,01-0,03
Углерод
0,12-0,17
Железо
до 1,5
Кремний
до 0,10
Марганец
до 0,10
Молибден
до 3,0
Никель
50,0-77,0
при соблюдении условия: 1Х% Cr+1,1Х% W+3,4X% Nb или Ta+4,3X% Ti+6Х% Al=60-70 (патент США №3164465).
3
Известный сплав с поликристаллической равноосной структурой имеет довольно высокую жаропрочность, Анализ свойств сплава, приведенных в патенте, показал, что при рабочей температуре 900°С сплав имеет длительную прочность за 100 ч, равную 350-380 МПа, плотность известного сплава 8,44 г/см. Однако известный сплав имеет недостаточную пластичность (при комнатной температуре относительное удлинение при растяжении составляет 0,8-4,1%, предел прочности равен 836-1088 МПа), что не позволяет использовать его для изготовления сложных отливок, в частности роторов газотурбинных двигателей нового поколения.
Известен литейный жаропрочный сплав на никелевой основе следующего химического состава, мас.%:
Хром
7,0-14,0
Вольфрам
9,0-12,0
Ниобий
0,5-4,0
Алюминий
4,0-6,0
Титан
1,0-4,0
Кобальт
8,0-15,0
Цирконий
0,01-0,10
Бор
0,005-0,07
Углерод
0,05-0,2
Молибден
0,7-3,0
Церий
0,002-0,025
Один элемент из группы,
включающей иттрий и
0,0013-0,0085
скандий
Никель
остальное
при условии, что отношение концентраций Се и одного элемента из группы, включающей иттрий и скандий, равно 1,5/3,0 (патент РФ №2070597).
3
Известный сплав с поликристаллической равноосной структурой обладает достаточно высокими характеристиками длительной прочности. Например, при рабочей температуре 975°С время до разрушения сплава предпочтительного состава при испытании на длительную прочность при напряжении 230 МПа составляет 60-70 ч, при напряжении 200 МПа - 90-135 ч, при рабочей температуре 1050°С и напряжении 110 МПа - 105-160 ч. Плотность известного сплава равна 8,42 г/см.
i
i
i
6
Дополнительные исследования показали, что этот сплав, так же как и американский сплав, имеет недостаточную пластичность (при комнатной температуре относительное удлинение при растяжении составляет 3,0-5,0%, предел прочности 900-1000 МПа). Кроме того, значение параметра, характеризующего склонность жаропрочных никелевых сплавов к фазовой нестабильности,  (где Z, A, E - соответственно концентрация, атомная масса и количество валентных электронов i-го компонента (sp-электроны алюминия, ds-электроны переходных металлов), n - число компонентов сплава, включая основу), рассчитанное по предпочтительному химическому составу сплава, составляет минус 0,164, что по абсолютной величине больше критического значения этого параметра. Следовательно, при длительном высокотемпературном воздействии известный сплав склонен к выделению вредных пластинчатой формы карбидных типа МС и интерметаллидных ТПУ фаз; например, их объемная доля в структуре материала турбинной лопатки из этого сплава после 1000 ч наработки может достигать более 5%, что значительно уменьшает ее дальнейшую работоспособность.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является литейный жаропрочный сплав на основе никеля следующего химического состава, мас.%:
Хром
6,5-10,5
Вольфрам
1,0-1,8
Ниобий
0,5-1,0
Алюминий
4,8-5,7
Титан
4,2-4,7
Кобальт
6,0-10,0
Цирконий
0,01-0,02
Бор
0,005-0,015
Углерод
0,06-0,2
Молибден
2,7-4,0
Церий
0,002-0,015
Один элемент из группы,
включающей иттрий и
0,0015-0,01
скандий
Ванадий
0,1-1,0
Кальций
0,001-0,015
Лантан
0,002-0,02
Никель
остальное
(патент РФ №2153020).
3
975
3
40
Известный литейный сплав с равноосной структурой и плотностью 7,78-7,81 г/см имеет высокую фазовую стабильность, хорошие литейные свойства и повышенное сопротивление термоусталости. Удельная длительная прочность известного сплава σ /d составляет 26,88-26,99 МПа/(г/см). Однако дополнительные исследования показали, что сплав-прототип обладает недостаточно высокими характеристиками долговременной длительной прочности и пластичности при растяжении.
3
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание литейного жаропрочного сплава на основе никеля с поликристаллической равноосной структурой с плотностью 8,1-8,3 г/см и повышенными характеристиками кратковременной прочности, жаропрочности и фазовой стабильности.
Для достижения поставленной технической задачи предложен литейный жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий хром, вольфрам, алюминий, титан, кобальт, цирконий, бор, углерод, молибден, церий, иттрий, кальций, лантан, в который дополнительно введены тантал и магний, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Хром
7,8-9,0
Вольфрам
1,0-3,2
Алюминий
5,0-5,8
Титан
3,1-4,1
Кобальт
9,5-12,5
Цирконий
0,01-0,05
Бор
0,008-0,04
Углерод
0,08-0,16
Молибден
2,8-4,2
Церий
0,002-0,02
Иттрий
0,0015-0,01
Кальций
0,001-0,01
Лантан
0,002-0,02
Тантал
2,0-3,4
Магний
0,001-0,01
Никель
остальное.
6
Повышение жаропрочности предложенного сплава достигается за счет введения тантала при сбалансированном соотношении между суммарным содержанием γ-стабилизирующих (Cr, Mo, W) и γ'-образующих (Al, Ti, Та) легирующих элементов, которое приводит к повышению температуры полного растворения упрочняющих частиц γ'-фазы в матричном γ-твердом растворе. В результате повышается максимальная рабочая температура и долговечность сплава. Исследованиями методами дифференциального термического микрорентгеноспектрального анализа было обнаружено физическое явление, состоящее в том, что при образовании карбидной фазы МеС в температурном интервале кристаллизации заявляемого сплава с указанным соотношением компонентов атомы Та, введенного в сплав, вытесняют из химического состава карбидов МеС присутствующие в сплаве атомы Cr, Мо, W и тем самым повышают начальную температуру образования этой фазы. В результате форма и распределение карбидных частиц в структуре сплава изменяются в благоприятную сторону, что приводит к увеличению характеристик кратковременной прочности. Кроме того, легирование заявляемого сплава танталом затрудняет при рабочих температурах протекание дестабилизирующей твердофазной реакции типа МеС→МеС+γ', а также усиливает сопротивление сплава высокотемпературной коррозии, что способствует повышению длительной прочности и пластичности.
Введение магния в предлагаемый литейный жаропрочный сплав на основе никеля с низкой плотностью при указанном соотношении компонентов используется для стабилизации при литье поликристаллической равноосной структуры изделий из сплава, упрочнения межзеренных границ и повышения жаростойкости, что приводит к увеличению пластичности и сопротивления длительной высокотемпературной ползучести.
Титан и ниобий в никелевых жаропрочных сплавах, имея коэффициенты распределения меньше единицы, в процессе кристаллизации обогащают междендритные области отливок. Поэтому наличие ниобия и повышенное содержание титана в составе литейных жаропрочных никелевых сплавов приводят к образованию повышенного количества неравновесной эвтектики γ-γ' и, соответственно, ухудшают их технологические свойства, в частности приводят к появлению «горячих» микротрещин при литье изделий сложной формы. Исключение ниобия и уменьшение содержания титана в предлагаемом сплаве при заявленном соотношении компонентов способствуют понижению в литой структуре отливок из сплава доли выделений неравновесной эвтектики γ-γ'. В результате повышаются технологические свойства сплава.
Исключение ванадия из состава предлагаемого сплава улучшает сопротивление окислению и коррозии при рабочих температурах сплава.
Пример осуществления
В вакуумной индукционной печи были выплавлены четыре сплава предлагаемого состава и один сплав предпочтительного состава, взятый за прототип. Содержание компонентов (мас.%) в композициях сплавов приведено в таблице 1. Затем эти сплавы переплавляли в вакуумной печи и получали цилиндрические отливки образцов с поликристаллической равноосной структурой диаметром 16 мм и длиной 70 мм. Далее из этих отливок изготавливали образцы для дифференциального термического анализа, микрорентгеноспектрального анализа и количественной металлографии, по результатам которых определяли температуру полного растворения упрочняющей γ'-фазы в γ-матрице, солидус, температуру начального образования карбидов МеС при кристаллизации сплава и объемную долю выделений неравновесной эвтектики γ-γ'. С учетом этих температур полученные отливки образцов подвергали термической обработке, включающей гомогенизирующий отжиг и двухступенчатое старение. Из термообработанных отливок изготавливали образцы для механических испытаний (расчетная рабочая длина 25 мм, диаметр 5 мм), по результатам которых определяли характеристики кратковременной и длительной прочности.
Испытания на растяжение проводили при комнатной температуре, испытания на длительную прочность проводили на воздухе при температуре 900°С и напряжении 350 и 330 МПа.
Полученные характеристики композиций сплава-прототипа и заявляемого сплава приведены в таблице 2.
3
Как видно из таблицы 2, предлагаемый сплав имеет более высокие значения температуры полного растворения γ'-фазы в γ-твердом растворе и начала образования карбидов МеС при кристаллизации, а также меньшую долю неравновесной эвтектики γ-γ', чем сплав, взятый за прототип. Кроме того, значения параметра ΔE, характеризующие фазовую стабильность предлагаемого сплава, меньше критических, что свидетельствует об отсутствии склонности его к образованию вредных ТПУ фаз. Характеристики кратковременной прочности - относительное удлинение при комнатной температуре больше в 1,4 раза, длительной прочности - долговечность (время до разрушения) при температуре 900°С предлагаемого сплава в 3 раза больше, чем сплава, взятого за прототип. Плотность предлагаемого сплава составляет 8,09-8,20 г/см.
Таким образом, предлагаемый литейный жаропрочный сплав на основе никеля с поликристаллической равноосной структурой и низкой плотностью значительно превосходит сплав-прототип по характеристикам длительной прочности и пластичности, что позволяет его рекомендовать для производства турбинных лопаток и других деталей ГТД длительного ресурса.