ПОРОШКОВЫЙ ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ
POWDER HEAT RESISTANT ALLOY ON BASE OF NICKEL

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии, в частности к порошковой металлургии жаропрочных сплавов на основе никеля, предназначенных для тяжелонагруженных деталей, работающих при повышенных температурах в газотурбинных двигателях.
Известен жаропрочный сплав на основе никеля состава (в мас.%):
Углерод - 0,02-0,10
Хром - 8,0-10,0
Вольфрам - 5,2-5,9
Молибден - 3,6-4,3
Титан - 1,5-3,4
Алюминий - 4,3-5,3
Ниобий - 1,0-2,0
Гафний - 0,1-0,4
Бор - 0,001-0,05
Цирконий - 0,001-0,05
Магний - 0,001-0,08
Церий - 0,001-0,06
Никель - остальное
(патент РФ 2131943, С22С 19/05, 1999 год).
Недостатком этого сплава являются низкие характеристики пластичности при комнатной и рабочих температурах.
Известен жаропрочный порошковый никелевый сплав, предназначенный для деталей газовых турбин состава мас.%:
Углерод - 0,02-0,08
Хром - 8,0-10,0
Кобальт - 1,0-6,0
Вольфрам - 5,2-6,0
Молибден - 3,4-4,2
Титан - 2,3-2,9
Алюминий - 4,6-5,3
Ниобий - 1,0-1,9
Гафний - 0,05-0,4
Бор - 0,005-0,05
Цирконий - 0,001-0,05
Магний - 0,001-0,05
Марганец - 0,001-0,5
Кремний - 0,001-0,5
Железо - 0,001-0,5
Никель - остальное
(патент РФ 2299919, С22С 19/05, (22С 1/04, 2006 год) - прототип.
Недостатками этого сплава являются низкие значения жаропрочности при рабочих температурах и его высокая себестоимость.
Предлагается сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, алюминий, ниобий, бор, цирконий, магний, никель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит церий и лантан, при следующем соотношении компонентов в мас.%:
Углерод - 0,06-0,14
Хром - 10,0-12,0
Кобальт - 4,0-6,0
Вольфрам - 1,0-2,0
Молибден - 5,0-5,6
Титан - 3,0-3,6
Алюминий - 4,5-5,5
Ниобий - 2,5-3,2
Бор - 0,005-0,05
Цирконий - 0,001-0,05
Магний - 0,001-0,05
Церий - 0,001-0,05
Лантан - 0,001-0,05
Никель - остальное.
И отношение суммарного содержания вольфрама и молибдена к суммарному содержанию алюминия и титана 0,66-1,01.
Технический результат - повышение жаропрочности сплава, что ведет к увеличению ресурса работы двигателя при повышенных рабочих температурах. Кроме того, минимальное содержание дефицитного и дорогостоящего вольфрама и отсутствие гафния существенно снижает себестоимость сплава и изделий из него.
Сплав, содержащий предложенные компоненты при заявленных соотношениях, обеспечивает повышенное содержание γ'-фазы и таким образом повышенную прочность тела зерна. Дополнительное введение церия и лантана, сегрегирующих по границам зерен, увеличивает их прочность. Совместное увеличение прочности тела и границы зерна повышает механические характеристики, в том числе жаропрочность при рабочих температурах.
Уменьшение γ'-образующих элементов вольфрама и гафния с целью уменьшения себестоимости сплава делает возможным увеличение алюминия и титана. Минимальное содержание вольфрама делает также необходимым введение дополнительного количества молибдена при повышенном содержании ниобия. Дополнительное введение таких сильных карбидообразующих элементов, как титан, молибден и ниобий, делает необходимым увеличение содержания углерода по сравнению с прототипом и с обычно используемым содержанием углерода в порошковых жаропрочных никелевых сплавах.
При этом отношение суммы вольфрама и молибдена к сумме алюминия и титана менее 0,66, то есть уменьшение содержания карбидообразующих элементов по сравнению с γ'-образующими элементами, приводит к нарушению равенства прочности тела и границы зерна. То же самое происходит при увеличении этого отношения более 1,01. Различие в том, что в первом случае уменьшается прочность границы зерна, а во втором - уменьшается прочность тела зерна.
Пример
Методом порошковой металлургии были изготовлены заготовки из предлагаемого состава (№1, 2, 3), выходящие за пределы предлагаемого состава (№4, 5) и состава-прототипа (№6) (таблица 1).
В таблице 2 приведены характеристики жаропрочности при рабочих температурах 650 и 750°С.
Таблица 1
Химический состав изготовленных сплавов
Химический состав, мас.%
Предложенный сплав
Составы за пределами предложенного
Состав 6 (способ-прототип)
Состав 1
Состав 2
Состав 3
Состав 4
Состав 5
Углерод
0,06
0,09
0,14
0,06
0,04
0,04
Хром
11,0
10,0
12,0
10,5
4,0
4,0
Кобальт
6,0
4,0
5,0
4,0
3,5
3,0
Вольфрам
2,0
1,5
1,0
2,5
0,5
5,5
Молибден
5,5
5,6
5,0
4,2
4,8
4,0
Алюминий
4,5
5,0
5,5
4,0
5,7
4,7
Титан
3,6
3,2
3,0
2,0
2,5
2,5
Ниобий
2,5
3,2
3,0
2,0
1,4
1,4
Гафний
-
-
-
0,08
1,2
0,3
Бор
0,005
0,001
0,05
0,006
0,006
0,006
Цирконий
0,05
0,001
0,03
0,002
0,002
0,001
Магний
0,001
0,08
0,05
0,07
0,07
0,08
Церий
0,001
0,05
0,06
0,06
0,002
0,07
Лантан
0,08
0,05
0,005
0,006
0,002
-
Никель
Остальное
Остальное
Остальное
Остальное
ΣW, Mo / ΣAl, Ti
0,92
0,86
0,70
1,11
0,84
1,32
Таблица 2
Жаропрочность предложенного сплава
Составы сплавов
<img file="00000001.tif" he="7" wi="10" img-content="undefined" img-format="tif" />, МПа
<img file="00000002.tif" he="7" wi="10" img-content="undefined" img-format="tif" />, МПа
Сплав 1
1000
686
Сплав 2
1000
686
Сплав 3
1000
686
Сплав 4
940
634
Сплав 5
930
632
Сплав-прототип
931
627
Как видно из таблицы 2, жаропрочность предложенного сплава имеет более высокие на 8-10% значения по сравнению с жаропрочностью сплава-прототипа. Кроме того, минимальное содержание в сплаве заявленного состава кобальта и вольфрама при отсутствии гафния снижает себестоимость на 30-40%.