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

Изобретение относится к металлургии, а именно к жаропрочным сплавам на основе никеля, используемым при производстве деталей, работающих в условиях воздействия высоких температур и сплошного комплекса нагрузок (статические, термические, усталостные и другие виды нагружений), в частности рабочих и сопловых лопаток газовых турбин, температура которых достигает 1100-1150°С, с направленной столбчатой или монокристальной структурами.
Известен жаропрочный сплав на основе никеля, предназначенный для литья методом направленной кристаллизации, имеющий следующий химический состав (мас.%):
углерод
0,08-0,2
хром
4,0-6,0
кобальт
8,0-10,0
вольфрам
7,0-10,0
молибден
0,5-2,0
ниобий
1,2-2,0
алюминий
5,0-7,0
рений
3,0-5,0
тантал
3,0-5,0
бор
0,005-0,03
ванадий
0,01-0,15
церий
0,001-0,04
иттрий
0,003-0,04
лантан
0,001-0,1
кремний
0,01-0,2
кислород
0,0001-0,002
азот
0,0001-0,002
никель
остальное
(см. патент №2365656 класса С22С 19/05, опубл. в 2009 г.).
Сплав обладает достаточным уровнем жаропрочности  и предназначен для литья рабочих и сопловых лопаток газотурбинных двигателей с направленной столбчатой или монокристальной структурой. Однако он отличается высокой стоимостью шихты (вследствие наличия в его составе остродефицитного и дорогостоящего элемента рения).
Известен также жаропрочный никелевый сплав для литья лопаток с монокристаллической структурой, имеющий следующий средний состав (мас.%):
хром
4,2
кобальт
12,5
вольфрам
6,0
молибден
1,4
алюминий
5,75
рений
5,4
тантал
7,2
гафний
0,15
углерод
0,05
бор
0,004
иттрий
0,01
никель
остальное
(патент США №5270123 класса С22С 19/05, опубл. в 1993 г.).
Уровень жаропрочности этого сплава при 1000°С составляет  Однако из-за значительного содержания рения этот сплав также отличается высокой стоимостью, превышающей цену обычных безрениевых жаропрочных никелевых сплавов в 2-6 раз.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является литейный жаропрочный сплав на основе никеля, предназначенный для литья деталей с монокристаллической структурой, например лопаток газовых турбин, работающих при высоких температурах, сплав содержит (мас.%):
хром
0,5-4,0
алюминий
4,0-7,0
титан
≤2,0
молибден
≤4,0
вольфрам
12,0-16,0
тантал
3,0-12,0
кобальт
4,0-9,0
ниобий
≤2,0
иттрий
0,003-0,1
лантан
0,001-0,1
церий
0,003-0,1
углерод
≤0,1
никель
остальное
(патент РФ №2348724 класса С22С 19/05, опубл. в 2009 г.).
Указанный сплав обладает высокой жаропрочностью и сравнительно низкой стоимостью. Однако уровень его жаростойкости является недостаточным. Кроме того, в процессе длительной наработки в нем возможно образование охрупчивающих сплав топологически плотноупакованных фаз, снижающих работоспособность этого материала.
Задачей изобретения является повышение уровня жаропрочности литейного никелевого сплава при снижении его стоимости.
Указанная задача решается тем, что в известный жаропрочный литейный сплав на основе никеля, содержащий хром, кобальт, углерод, алюминий, вольфрам, тантал, лантан, иттрий, церий, дополнительно введены магний, кремний и марганец при следующем соотношении компонентов (мас.%):
хром
5,0-8,0
кобальт
9,0-12,0
вольфрам
14,0-16,0
алюминий
4,0-6,0
тантал
6,0-10,0
углерод
0,002-0,1
иттрий
0,001-0,1
лантан
0,001-0,1
церий
0,001-0,1
магний
0,01-0,15
кремний
0,01-0,3
марганец
0,01-0,3
никель
остальное
при этом суммарное содержание (мас.%) вольфрама и тантала находится в пределах 21,9≤(W+Ta)≤23,5, а суммарная концентрация хрома и кобальта ограничена значениями (мас.%) 17,2≤(Cr+Со)≤18,8.
В заявленном сплаве увеличено содержание хрома и кобальта, что обеспечило с одной стороны повышение его жаростойкости и стойкость к воздействию солевой коррозии, а с другой стороны, возникли условия, при которых образование вредных топологически плотноупакованных фаз (ТПУ-фаз) стало крайне затруднительным. В частности, при указанном содержании хрома и кобальта, а также вольфрама и тантала концентрация электронных вакансий элементов в γ'-фазе  меньше 0,91, в то время как ТПУ-фазы начинают образовываться при значениях , превышающих 0,93.
В то же время расчеты, выполненные с применением созданных методов интеллектуальной инженерии, позволяющих осуществлять оценку факторов, определяющих структурную стабильность сплавов, в том числе, вероятность образования ТПУ-фаз, показали, что оптимальные, удовлетворяющие условиям обеспечения структурной стабильности суммарные величины концентраций в сплаве (вольфрама + тантала) и (хрома + кобальта) являются достаточно узкими и должны находиться в пределах 21,9≤(W+Ta)≤23,5 и 17,2≤(Cr+Со)≤18,8. Кроме того, в сплав дополнительно введены магний, кремний, марганец.
Экспериментальные исследования показали, что введение (0,01-0,15) мас.% магния оказывает значительное положительное влияние на структуру и свойства сплавов:
при легировании монокристальных сплавов малым количеством магния он выступает в качестве дополнительного раскислителя жидкого металла;
микро- и наночастицы, содержащие соединения магния, являются центрами образования γ'-фазы при распаде γ-твердого раствора, что приводит к улучшению процесса выделения упрочняющей γ'-фазы, увеличению ее объема и степени дисперсности;
частицы соединений магния, находящиеся на межфазных и малоугловых границах, совершенствуют их, тормозят процессы коагуляции и рекристаллизации, снижают диффузионную подвижность атомов при высоких температурах и тем самым улучшают жаропрочность. Положительный результат от дополнительного введения магния подтверждается заметным повышением жаропрочности заявленного сплава.
2
Введение в сплав малых добавок кремния обеспечивает его дополнительную очистку от кислорода, поскольку образующиеся в жидком металле окислы SiO в результате высокотемпературного взаимодействия с футеровкой соединяются с материалом тигля. Это позволяет повысить чистоту сплава по газовым примесям.
Легирование сплава марганцем обеспечивает улучшение его технологических характеристик, в т.ч. жидкотекучести. Увеличение температур критических параметров сплава - температур солидус, неравновесный солидус, температуры образования эвтектической неравновесной γ'-фазы связано с необходимостью увеличения температуры жидкого металла и температуры формы при отливке деталей, что, в свою очередь, приводит из-за усиления его взаимодействия с материалом формы к определенному снижению качества сплава.
Введение марганца, улучшая технологичность сплава, позволяет исключить данные отрицательные факторы.
Указанные элементы наряду с лантаном, иттрием и церием обеспечили увеличение количества и степени дисперсности выделяющейся упрочняющей γ'-фазы, улучшили состояние межфазных границ и субграниц, стабильность структуры, что привело к повышению жаропрочности и жаростойкости, замедлению процесса разупрочнения сплава; при этом совокупный эффект оказывается гораздо выше, чем суммарное влияние этих элементов.
Для апробации сплава были выплавлены три состава, содержащие компоненты, указанные в таблице 1. Предлагаемый сплав выплавляли в вакуумной индукционной печи, а затем переплавляли в печи для направленной кристаллизации типа УВНК-8П с применением затравок с заданной ориентацией. Свойства полученных сплавов приведены в таблице 2.
Легирование углеродом, лантаном, иттрием и церием осуществлялось расчетным путем, и в дальнейшем их концентрация не определялась.
Анализ полученных результатов показывает, что преложенный сплав имеет уровень 100-часовой длительной прочности при 1000°С порядка 270 МПа, что превышает соответствующий показатель сплава-аналога, а также сплавов, легированных 3-5 мас.% рения и тантала.
При этом стоимость шихты предлагаемого сплава ~65 USD/кг вместо 452 USD/кг (патент РФ №2365656) и 606,5 USD/кг (патент США №5270123) сплавов с сопоставимым уровнем жаропрочности.
Таким образом, предлагается состав сплава, обеспечивающий высокий уровень жаропрочности, принципиальным отличием которого от известных ранее является существенно более низкая (в 8-9 раз) стоимость шихтовых материалов, а также отсутствие в нем остродефицитного и крайне дорогого элемента рения.
Выполненные исследования показали, что структура сплава, несмотря на достаточно высокое (определяющее требуемый уровень жаропрочности) содержание дисперсной γ'-фазы, отличается незначительным количеством эвтектической γ'-фазовой составляющей, в ней отсутствуют ТПУ- и α-фазы, т.е. все введенные элементы не приводят к выделению отдельных снижающих работоспособность сплава фаз, а обеспечивают свой вклад в улучшение жаропрочности, жаростойкости и технологичности.