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

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии жаропрочных деформируемых сплавов на основе никеля с низким температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР) и может быть использовано в качестве материала для изготовления свариваемых высоконагруженных деталей газотурбинных двигателей (ГТД), например элементов сопряжения корпуса компрессора и др., с рабочей температурой до 600°С, работающих в условиях с повышенными требованиями по неизменности зазоров.
Классическими материалами с регламентированными в температурных интервалах эксплуатации физическими свойствами, такими как α-температурный коэффициент линейного расширении (ТКЛР), являются сплавы системы железо-никель, но они не обладают достаточным уровнем прочностных свойств при высоких температурах.
Известны сплавы с низким коэффициентом линейного расширения системы железо-никель-кобальт. Низким ТКЛР сплавы этой группы обязаны выводу из их состава хрома и молибдена. Однако эти материалы также не обеспечивают достаточный уровень жаропрочности для двигателей нового поколения.
Известны деформируемые сплавы на никелевой основе следующего химического состава (мас.%):
Кобальт
0÷31
Хром
1,7÷8,3
Никель
30÷37
Вольфрам
0÷1
Молибден
0÷1
Алюминий
0÷1,5
Титан
3÷6
Ниобий
1,5÷5
Углерод
0÷0,20
Бор
0÷0,03
Цирконий
0÷0,1
Марганец
0÷2
Медь
0÷1
Кремний
0÷1
Железо
остальное
(Патент США №5283032).
Кобальт
12,0÷16,0
Никель
35,0÷40,0
Алюминий
0,015 мах
Титан
1,3÷1,8
Ниобий
4,3÷5,2
Углерод
0,06 мах
Кремний
0,25÷0,50
Железо
остальное
(Патент США №5425912).
Углерод
0,005÷0,05
Хром
10÷20
Вольфрам
0,5÷8,0
Молибден
13÷20
Ниобий
0,2÷1,0
Церий
0,001÷0,01
Иттрий
0,002÷0,01
Магний
0,003÷0,07
Никель
остальное
(Патент РФ №1520871).
Эти сплавы, имея достаточно низкий температурный коэффициент линейного расширения, не обладают комплексом свойств, необходимых для материала высоконагруженных ответственных деталей, работающих в условиях с повышенными требованиями по неизменности зазоров.
Наиболее близким по составу и назначению к предлагаемому является свариваемый жаропрочный деформируемый сплав системы Fe-Ni с пониженным коэффициентом термического расширения следующего химического состава (мас.%):
Углерод
0,01÷0,1
Никель
35,0÷40,0
Кобальт
10,0÷27,0
Ниобий
3,0÷7,0
Титан
0,05÷2,0
Ванадий
0,1÷1,0
Магний
0,005÷0,1
Иттрий
0,005÷0,1
Церий
0,005÷0,1
Лантан
0,005÷0,1
Бор
0,001÷0,01
Железо
остальное
(Патент РФ №177466).
Недостатком этого сплава является низкий уровень длительной прочности при температуре 600°С, что не позволяет использовать его для изготовления деталей газотурбинных двигателей, особенно перспективных, где предъявляются повышенные требования как к механическим свойствам, так и к величине зазоров в конструкции.
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка свариваемого жаропрочного деформируемого сплава на основе никеля, сочетающего высокие прочностные свойства, длительную прочность и низкий коэффициент линейного расширения в диапазоне температур 20-600°С и технологичность при сварке.
Для решения поставленной задачи предложен жаропрочный деформируемый сплав на основе никеля, содержащий углерод, кобальт, железо, ниобий, титан, лантан, бор, магний, церий, который дополнительно содержит хром, вольфрам, молибден, алюминий, тантал, и скандий, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
0,02÷0,08
Кобальт
18,0÷25,0
Железо
22,0÷30,0
Хром
0,3÷1,2
Вольфрам
0,05÷2,0
Молибден
0,05÷2,0
Ниобий
4,5÷5,5
Алюминий
0,3÷0,8
Титан
1,5÷2,7
Тантал
0,1÷2,0
Бор
0,005÷0,010
Лантан
0,001÷0,03
Церий
0,001÷0,03
Магний
0,003÷0,03
Скандий
0,003÷0,03
Никель
остальное
3
Сплав состоит из аустенитной γ-матрицы с г.ц.к. структурой, которая упрочнена выделениями упорядоченной фазы (Ni, Co, Fe) (Nb, Ti), карбидами и боридами.
Высокотемпературные свойства в сплаве формируются в результате сочетания эффектов легирования при обеспечении оптимального количества, размера и распределения упрочняющих фаз.
Добавки вольфрама, молибдена и хрома упрочняют твердый раствор и снижают скорость диффузии компонентов сплава, особенно при повышенных температурах, что оказывает заметное влияние на эффективность упрочнения.
Добавки тантала и скандия ведут к образованию более стойких карбидов и боридов, а также к дополнительной стабилизации упрочняющей фазы и твердого раствора, а также к концентрации этих элементов по границам зерен и снижения их дефектности, что способствует повышению длительной прочности и свариваемости сплава.
Введение в состав сплава таких элементов, как тантал, скандий, вольфрам, молибден, алюминий, хром, в указанных соотношениях, также позволяет исключить выделение топологических плотноупакованных фаз. Это обеспечивает фазовую и структурную стабильность материала, пластичность и отсутствие чувствительности к концентрации напряжений.
Пример осуществления
Для практического осуществления изобретения предлагаемый сплав получали методом вакуумно-индукционной выплавки. Поверхность полученных слитков подвергали механической обработке - обточке. После нагрева до температуры 1100°С слитки ковали на сутунки в изотермических условиях.
Кованые сутунки подвергали прокатке на лист толщиной δ=4 мм. Температура нагрева под прокатку 1080°С.
Горячекатаные листы отжигали при температуре 1080°С, с охлаждением в воду; травили в щелочно-кислотной ванне.
Протравленные листы подвергали холодной прокатке до толщины 1,5-2,0 мм.
В таблице 1 приведен химический составы различных плавок предлагаемого сплава.
В таблице 2 - соответствующие им значения температурного коэффициента линейного расширения, механические свойства, критическая скорость деформации в сварном шве.
-6
Результаты испытаний показывают, что предлагаемый сплав обладает более высокой длительной прочностью при рабочей температуре 600°С и σ=950 МПа, и низким температурным коэффициентом линейного расширения в интервале температур 20-600°С - α=(10,9÷12,0)·101/°С, a также более высокой технологичностью при сварке.
Таким образом, низкий уровень ТКЛР в сочетании с высоким уровнем прочностных характеристик позволит использовать предлагаемый сплав для элементов сопряжения корпуса компрессора газотурбинных двигателей с повышенными требованиями по ресурсу, надежности и КПД.