ЖАРОПРОЧНЫЙ ДЕФОРМИРУЕМЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО
NICKEL-BASED HEAT-RESISTANT WROUGHT ALLOY AND ARTICLE MADE FROM IT

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным деформируемым сплавам на основе никеля, и может быть использовано для изготовления деталей газотурбинных двигателей (ГГД), работающих до температуры 800°С.
Основными требованиями, предъявляемыми к этому классу материалов, являются: высокие характеристики кратковременной и длительной прочности, рабочая температура и технологичность.
Из уровня техники известен жаропрочный сплав марки ЭП718 (ГОСТ 5632-2014), применяемый для изготовления лопаток компрессора, на никелевой основе следующего химического состава, мас.%:
углерод
не более 0,1
хром
14,0-16,0
молибден
4,0-5,2
ниобий
0,8-1,5
вольфрам
2,5-3,5
алюминий
0,9-1,4
титан
1,9-2,4
церий
не более 0,1
бор
не более 0,008
цирконий
не более 0,02
никель
43,0-47,0
железо и примеси
остальное
Недостатками этого сплава являются ограничение рабочей температуры (до 650°С) и при этом невысокая длительная прочность при температуре 800°С (245 МПа).
Известен жаропрочный сплав (RU2074899, МПК С22С 30/00, С22С 19/03, опубл. 10.03.1997), применяемый для изготовления лопаток компрессора, на железоникелевой основе следующего химического состава, мас.%:
углерод
0,01-0,06
хром
15,5-18,5
молибден
2,8-3,5
ниобий
5,1-5,9
никель
51,5-56,5
алюминий
0,3-0,7
титан
0,6-1,1
ванадий
0,2-0,7
бор
0,004-0,01
иттрий
0,02-0,6
железо
остальное
Недостатками этого сплава являются ограничение рабочей температуры (до 650°С) и при этом невысокая длительная прочность при температуре 650°С (710 МПа).
Наиболее близким аналогом является жаропрочный деформируемый сплав на основе никеля ЭП220 (ГОСТ 23705-79), предназначенный для изготовления лопаток ГТД и ГТУ методом штамповки и имеющий следующий состав, мас.%:
углерод
не более 0,08
хром
9,0-12,0
кобальт
14,0-16,0
молибден
5,0-8,0
вольфрам
5,0-7,0
алюминий
3,9-4,8
титан
2,2-2,9
бор
не более 0,02
ванадии
0,2-0,8
никель и примеси
остальное
Данный сплав имеет недостаточно высокие механические свойства для его применения в перспективных ГТД, а именно: кратковременную прочность и удлинение на уровне 1150 МПа и 15% соответственно при нормальной температуре, 940 МПа и 14% при 800°С, длительная прочность при 800°С составляет 470 МПа.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении предлагаемого изобретения и не может быть реализовано при использовании прототипа, являются низкие механические свойства сплава.
Технической задачей предлагаемого изобретения является получение жаропрочного деформируемого сплава на основе никеля с более высокими механическими свойствами.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение кратковременной и длительной прочности и пластичности сплава при температурах до 800°С.
Для достижения поставленного технического результата предложен жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий, мас.%:
кобальт
12,0-16,0
хром
9,0-12,0
вольфрам
4,0-6,0
молибден
4,0-6,0
алюминий
4,0-5,5
титан
2,0-3,5
тантал
0,5-2,5
углерод
0,08-0,13
магний
0,003-0,05
лантан
0,002-0,05
бор
0,003-0,03
церий и/или неодим
0,005-0,02 каждого
никель
остальное
Также предлагается изделие из вышеуказанного жаропрочного сплава на основе никеля.
3
Основу предложенного сплава составляет γ'-фаза на основе соединения (Ni,Co,Cr)(Al,Ti,Ta,W) различной морфологии и γ-твердый раствор на основе никеля и кобальта, также в сплаве присутствуют карбиды типа МеС. Содержание кобальта в количестве 12-16 мас.% обеспечивает пластичность сплава, что позволяет получать из него заготовки методом деформации. За счет повышения содержания углерода в металле увеличивается доля карбидной фазы, которая обеспечивает дополнительное упрочнение сплава.
Легирование сплава танталом в заданном количестве, наряду с соблюдением заданного содержания вольфрама и молибдена, повышает стабильность и механические свойства сплава при высоких температурах.
Тантал в основном входит в составы γ'-фазы и карбидной фазы и увеличивает их стабильность при высоких температурах, а вольфрам и молибден преимущественно распределяются в γ-твердом растворе и повышают его прочность.
Магний, бор, лантан, церий и/или неодим добавляют в процессе выплавки для очищения расплава от оксидов и снижения количества вредных примесей, что положительно влияет на механические свойства (кратковременную и длительную прочность, пластичность во всем диапазоне рабочих температур).
x
y
Комплексное микролегирование лантаном и неодимом способствует удалению вредных примесей с границ зерен и других внутренних поверхностей раздела в материале, а также способствует реализации механизма упрочнения - формированию по границам зерен и фаз выделений интерметаллидной фазы NiP3M глобулярной морфологии.
В отличие от прототипа, в качестве легирующего элемента в предлагаемый сплав не добавляют ванадий, поскольку он ухудшает окалиностойкость сплава при температурах, близких к 800°С.
При заявленном содержании и соотношении компонентов в предлагаемом сплаве на основе никеля достигается наибольший эффект повышения кратковременной и длительной прочности сплава во всем диапазоне рабочих температур.
Пример осуществления.
Была проведена выплавка исходных электродов в вакуумноиндукционной печи с последующим вакуумно-дуговым переплавом для получения слитков из предлагаемого сплава различных составов и сплава - прототипа.
Химические составы приведены в таблице №1.
Изготовление прутков из слитков предлагаемого сплава различных составов и сплава-прототипа проходило в два этапа: ковка слитка на прессе 1600 тс и экструзия заготовки на пруток на прессе «Блисс».
20
20
800
800
Полученные прутки разрезали на заготовки, которые подвергали термической обработке. После этого из них были изготовлены цилиндрические образцы для определения механических свойств: кратковременной прочности  предела текучести  относительного удлинения σ и сужения ψ при 20°С, кратковременной прочности  относительного удлинения σ и сужения ψ, длительной прочности на базе 100 часов  при 800°С. Механические свойства определяли на разрывных и универсальных испытательных машинах. Результаты испытаний приведены в таблице №2.
Как видно из данных таблицы №2, предлагаемый сплав превосходит сплав-прототип по значениям кратковременной и длительной прочности и пластичности сплава (относительное удлинение и сужение) при температурах до 800°С.
Использование предлагаемого жаропрочного деформируемого сплава на основе никеля дает возможность создать ГТД с повышенными тактико-техническими параметрами, повышает надежность изделий и увеличивает ресурс их работы.