Литейный жаропрочный сплав на никелевой основе и изделие, выполненное из него
CAST HEAT-RESISTANT NICKEL-BASED ALLOY AND PRODUCT MADE THEREOF

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе и получаемым из них изделий с поликристаллической (равноосной) или направленной (монокристаллической) структурами, например, рабочих лопаток газотурбинных установок (ГТУ) и газотурбинных двигателей (ГТД), работающих в агрессивных средах при температурах до 900-1000°C.
Из /RU 2131944 C1, 20.06.1999/ известен жаропрочный сплав на основе никеля с монокристаллической структурой, предназначенный для изготовления преимущественно методами направленной кристаллизации деталей высокотемпературных узлов газовых турбин с направленной и монокристаллической структурами с высоким выходом годных отливок по макроструктуре, следующего химического состава, масс. %:
углерод
0,005-0,12
хром
13,5-14,5
кобальт
8,0-12,0
вольфрам
3,0-5,0
молибден
1,5-2,5
титан
3,4-4,3
алюминий
3,5-4,8
ниобий
0,4-1,4
тантал
0,2-1,0
гафний
0,1-0,4
бор
0,001-0,02
иттрий
0,005-0,05
никель
остальное
Недостатком известного сплава является склонность к образованию вредных топологически плотно упакованных (далее - ТПУ) фаз, объемная доля которых в структуре материала турбинной лопатки из этого сплава после 1000 ч наработки может достигать 10%, что значительно уменьшает ее дальнейшую работоспособность.
Из /RU 2519075 C1, 10.06.2014/ известен жаропрочный сплав на основе никеля, предназначенный для литья деталей горячего тракта газотурбинных установок, например, турбинных рабочих лопаток с поликристаллической (равноосной) или направленной (монокристаллической) структурами, работающих в агрессивных средах при температурах до 700-1000°C, следующего химического состава, масс. %:
углерод
0,08-0,10
хром
8,85-9,15
кобальт
10,4-10,8
вольфрам
5,60-5,85
молибден
0,20-0,30
титан
3,0-3,2
алюминий
3,7-3,9
ниобий
0,10-0,15
тантал
3,9-4,1
гафний
0,10-0,15
бор
0,08-0,012
иттрий
0,010-0,012
рений
2,9-3,1
церий
0,01-0,012
лантан
0,010-0,012
магний
0,010-0,012
никель
остальное,
при этом суммарное содержание церия, иттрия, лантана и магния - не менее 0,40-0,048 масс. %, суммарное содержание гафния и ниобия - 0,2-0,3 масс. %, а суммарное содержание алюминия и титана - 6,8-7,1 масс. % при отношении содержания титана к содержанию алюминия 0,81-0,825.
Недостатком известного сплава является низкая коррозионная стойкость: сравнительная коррозионная стойкость log [metal loss(mm/20 h)] составляет от -0,553 до -0,595, что ограничивает длительную работоспособность деталей из этого сплава в коррозионных средах при повышенных до 1000°C температурах. К его недостаткам следует также отнести повышенное (не менее 0,40 масс. %) суммарное содержание церия, иттрия, лантана и магния, в результате чего, сегрегируя в процессе направленной кристаллизации в междендритные области монокристаллических отливок рабочих лопаток, они понижают локальную температуру ликвидуса сплава, повышая склонность жидкого сплава к образованию при монокристаллическом литье посторонних кристаллов, препятствующих дальнейшему формированию монокристаллической структуры отливаемых рабочих лопаток, особенно в местах перехода от пера к полке замка лопаток. В связи с этим сплав обладает недостаточной технологичностью при изготовлении рабочих лопаток газовых турбин с монокристаллической структурой.
Наиболее близким аналогом является литейный жаропрочный сплав на никелевой основе, известный из /JP 4911753 В2, 04.04.2012/, предназначенный для изготовления лопаток промышленных газовых турбин с поликристаллической (равноосной) и направленной (столбчатой или монокристаллической) структурами, следующего химического состава, масс. %:
углерод
0,05-0,15
хром
9-12
кобальт
9-11
вольфрам
6-9
молибден
менее 1
титан
4-5
алюминий
4-5
ниобий
менее 1
тантал
менее 3
гафний
0,5-2,5
бор
0,005-0,015
рений
менее 3
цирконий
менее 0,05
никель
остальное
3
5
Дополнительные исследования показали, что повышенное до 2,5 масс. % содержание гафния приводит к тому, что он, сегрегируя при литье в междендритные области деталей из сплава, способствует образованию значительного количества неравновесных фаз эвтектического происхождения типа Ni(Al,Hf) или NiHf с низкими температурами плавления и тем самым понижает температуру солидуса сплава. В результате повышается опасность образования в процессе кристаллизации значительной пористости и кристаллизационных горячих трещин в отливках изделий сложной геометрии. Это может привести к оплавлению междендритных областей в отливках изделий из сплава при их термической обработке на твердый раствор и/или баротермической обработке при устранении литейной пористости. Указанный недостаток сплава-прототипа, связанный с особенностями его легирования, приводит к снижению технологичности при литье, а именно к необходимости проведения длительной многоступенчатой термической и/или баротермической обработки деталей. К другому недостатку сплава-прототипа следует отнести его низкую фазовую стабильность, проявляющуюся в склонности к образованию ТПУ фаз, объемная доля которых в структуре материала турбинной лопатки из этого сплава после 1000 ч наработки может достигать 10% и более, что значительно уменьшает ее дальнейшую работоспособность.
Технической задачей настоящего изобретения является создание литейного жаропрочного сплава на никелевой основе с повышенными физико-химическими свойствами, необходимыми для повышения эксплуатационных характеристик лопаток газовых турбин, работающих в агрессивных средах при температурах до 900-1000°C.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение длительной прочности, относительной коррозионной стойкости жаропрочного сплава на основе никеля при повышении его фазовой стабильности, а также снижение объемной доли выделений неравновесных фаз и, как следствие, обеспечение возможности получать из сплава изделия сложной формы с поликристаллической (равноосной) или направленной (монокристаллической) структурой, а также проводить их термическую и/или баротермическую обработку.
Для достижения поставленного технического результата предложен жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, алюминий, тантал, бор, цирконий, а также церий, иттрий, лантан и кальций при следующем соотношении компонентов, масс. %:
углерод
0,05-0,15
хром
11,9-12,7
кобальт
10,0-12,0
вольфрам
4,0-5,2
молибден
1,5-2,1
титан
3,2-4,2
алюминий
3,2-4,0
тантал
1,5-2,9
бор
0,001-0,015
цирконий
0,008-0,08
церий
0,002-0,02
иттрий
0,002-0,02
лантан
0,002-0,02
кальций
0,001-0,01
никель
остальное
Сплав может дополнительно содержать рений в количестве 0,9-3 масс. %.
Также предложено изделие, выполненное из данного сплава на никелевой основе, имеющее равноосную или монокристаллическую структуру.
Введение в состав предлагаемого сплава церия, иттрия, лантана и кальция при заявленном соотношении легирующих элементов приводит к тому, что в процессе литья происходит взаимодействие вышеуказанных элементов с примесями серы, кислорода, азота с образованием сульфидов, оксидов и нитридов, которые при литье концентрируются в прибыльной части (литниках) отливки детали. В результате содержание вредных примесей серы, кислорода и азота в объеме твердого раствора сплава понижается и, как следствие, повышается длительная прочность. При термической и/или баротермической обработке отливок из сплава на внутренних поверхностях неизбежно имеющихся литейных и гомогенизационных микропор происходит взаимодействие вышеуказанных элементов с остатками примесей серы, кислорода, азота с образованием внутри микропор дисперсных сульфидов, оксидов и нитридов. Таким образом, уменьшается образование дополнительных концентраторов напряжений в виде отдельных частиц сульфидов, оксидов и нитридов. В результате также повышаются длительная прочность и сопротивление сплава коррозии.
Молибден и хром, имея коэффициенты распределения между γ'- и γ-фазами, равные ~0,3 и ~0,2 соответственно, растворяются в основном в γ-твердом растворе сплава. Поэтому повышение содержания молибдена до 1,5-2,1 масс. % и хрома до 11,9-12,7 масс. % в предлагаемом сплаве при заявленном сбалансированном суммарном содержании легирующих элементов вызывает увеличение периода кристаллической решетки γ-твердого раствора и тем самым повышение относительной разности периодов кристаллических решеток γ- и γ'-фаз (γ/γ'-мисфита), что способствует увеличению длительной прочности сплава.
Пониженное до 4,0-5,2 масс. % содержание вольфрама в предлагаемом сплаве приводит к снижению плотности и также способствует повышению высокотемпературной фазовой стабильности γ-твердого раствора и МеС-карбидов и, следовательно, достижению более высоких показателей длительной прочности.
3
5
Исключение из химического состава заявляемого сплава γ'-образующего элемента гафния наряду с повышением содержания γ-стабилизирующих элементов молибдена и хрома способствуют снижению объемной доли выделений неравновесных фаз эвтектического происхождения типа Ni(Al,Hf) или NiHf в литой структуре сплава, что позволяет получать из него сложнопрофильные изделия с поликристаллической (равноосной) или направленной (монокристаллической) структурой без образования в процессе кристаллизации литейной рыхлоты и горячих микротрещин, а также проводить термическую и/или баротермическую обработку изделий с целью снижения их пористости без опасности оплавления.
Кроме того, соотношение компонентов предлагаемого сплава - хрома, кобальта, вольфрама, молибдена, титана, алюминия, тантала, рения (при наличии), циркония и никеля, обеспечивает повышение фазовой стабильности, заключающееся в устранении склонности сплава к образованию ТПУ фаз.
i
i
i
Известно, что для обеспечения фазовой стабильности значение характеризующего ее параметра ΔЕ должно соответствовать условию: 0,02≥ΔE≥-0,04. Указанный параметр вычисляется по следующей формуле: где Z - концентрация i-го элемента, атомн. %, A - атомная масса i-го элемента, E - количество валентных электронов i-го элемента, n=9 или 10 - количество компонентов сплава (хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, алюминий, тантал, рений (при наличии), цирконий, никель) (Самойлов А.И., Морозова Г.И., Кривко А.И., Афоничева О.С. Аналитический метод оптимизации легирования жаропрочных никелевых сплавов // Материаловедение. 2000. №2. С. 14-17).
6
Для предлагаемого сплава данное значение находится в интервале от -0,007 до -0,032, притом как для сплава-прототипа оно составляет от -0,123 до -0,055, то есть выходит за пределы критических значений. Это свидетельствует об отсутствии склонности предлагаемого сплава к образованию вредных ТПУ фаз, а также дестабилизирующим твердофазным карбидным реакциям типа МеС→MeC+γ'.
Изделия из предлагаемого сплава, например, рабочие лопатки газовых турбин с поликристаллической (равноосной) и направленной (монокристаллической) структурами будут иметь высокие показатели длительной прочности и коррозионной стойкости, обеспечивающие повышение надежности и ресурса работы.
Примеры осуществления.
В вакуумной индукционной печи было осуществлено 4 плавки предлагаемого сплава и 2 плавки сплава-прототипа. Выплавленные сплавы переплавляли в вакуумных установках для равноосной или направленной кристаллизации и получали изделия с поликристаллической (равноосной) или направленной (монокристаллической) структурой в виде отливок диаметром ~16 мм и длиной соответственно 70 и 160 мм.
Химический состав предлагаемого сплава и сплава-прототипа приведен в таблице 1.
Далее из полученных отливок изготавливали образцы для дифференциального термического анализа и количественной металлографии, по результатам которых определяли температуру плавления и объемную долю выделений фазы эвтектического происхождения.
Полученные отливки из сплавов подвергали термической обработке, включающей гомогенизирующий отжиг и двухступенчатое старение.
Из термически обработанных таким образом отливок изготавливали образцы для определения плотности и механических испытаний на длительную прочность (длина образца 70 мм, рабочая база 25 мм, рабочий диаметр 5 мм), по результатам которых определяли время до разрушения при заданных температурах и напряжениях.
Механические испытания на длительную прочность проводили по ГОСТ 10145-81.
Испытания образцов с поликристаллической (равноосной) структурой проводили в атмосфере воздуха при температуре 900°C и напряжении 260 МПа.
Испытания образцов с направленной (монокристаллической) структурой проводили в атмосфере воздуха при температуре 1000°C и напряжениях 200 и 140 МПа.
Оценку коррозионной стойкости сплавов проводили расчетным путем, сравнивая полученные по известному регрессионному уравнению относительные значения потери массы сплава logjmetal loss(mm/20 h)] при выдержке в расплаве солей Na2S04+NaCl в течение 20 ч при температуре 900°С (Harada Н., Yamazaki М., Sakuma N. at al. Alloy design for nickel-base superalloys // In: Proc. Conf. "High Temperature Alloys for Gas Turbines 1982@, held in Liege, Belgium, 406 Okt. 1982 / D. Reidel Publishing Co.)
Полученные характеристики композиций предложенного сплава и сплава-прототипа приведены в таблице 2.
Как видно из таблицы 2, предлагаемый сплав обладает повышенными в сравнении со сплавом-прототипом характеристиками длительной прочности и коррозионной стойкости.
6
Сплав имеет более высокие значения температуры плавления выделений неравновесной фазы эвтектического происхождения (на 14-52°C) и меньшую ее объемную долю в структуре отливок изделий из сплава (в 2-4 раза), чем из сплава, взятого за прототип. Кроме того, абсолютные значения параметра ΔE, характеризующего фазовую стабильность, у предлагаемого сплава не выходят за рамки критических значений и составляют от -0,007 до -0,032, в отличие от сплава-прототипа, у которого значения параметра ΔЕ составляют от -0,123 до -0,055, что свидетельствует о повышении фазовой стабильности предлагаемого сплава - отсутствии склонности к образованию вредных ТПУ фаз, а также дестабилизирующим твердофазным карбидным реакциям типа MeC→МеС+γ'.
Сниженная объемная доля выделений неравновесной фазы эвтектического происхождения обеспечивает технологическое преимущество предлагаемого сплава, которое заключается в возможности получать из него изделия сложной формы с поликристаллической (равноосной) или направленной (монокристаллической) структурой без образования в процессе кристаллизации литейной рыхлоты и горячих микротрещин, а также проводить термическую и/или баротермическую обработку изделия без опасности оплавления.
Описанные преимущества позволят использовать предлагаемый сплав для производства рабочих лопаток газовых турбин ГТУ и ГТД, длительно работающих в агрессивных средах при температурах до 900-1000°C.