Жаропрочный гранулируемый сплав на основе никеля
HEAT RESISTANT NICKEL-BASED GRANULAR ALLOY

Изобретение относится к области металлургии, а именно, к составу гранулируемого жаропрочного сплава на никелевой основе, получаемого прямым горячим изостатическим прессованием (ГИП) гранул с последующей термической обработкой, закалочным охлаждением и старением. Данный сплав предназначен для изготовления критических деталей ГТД и ЖРД и для применения в других деталях, эксплуатирующийся длительное время при температурах выше 500°С с рабочей температурой до 750°С, или используемых кратковременно при температурах до 800°С.
Особенностью сплава является его относительно высокая пластичность при комнатной и рабочих температурах:
В
0.2
2
- при комнатной температуре σ≥1422 МПа, σ≥1000 Мпа, δ≥18%, Ψ≥18%, КCU≥39 Дж/см.
В
0.2
- при температуре до 800°С σ≥1150 МПа, σ≥1079 МПа, δ≥7%, Ψ≥15%;
- 100-часовая длительная прочность при температуре 650°С и σ=980-1000 МПа, при температуре 750°С и σ=667-706 МПа.
- сопротивление малоцикловой усталости (МЦУ) при температуре 650°С, σ=980 МПа и частоте нагружения f=1 Гц число циклов до разрушения N≥5000-7000 циклов.
Известным аналогом предлагаемого сплава является никелевый гранулируемый сплав ЭП741НП следующего химического состава (в масс. %):
Cr
8,0-10,0
Со
15,0-16,5
W
6,5-7,2
Мо
2,2-3,0
Al
4,7-5,2
Ti
1,3-1,7
Nb
1,2-1,6
Hf
-
С
0,06
В
0,015
Mg
0,02
Се
0,01
Zr
0,015
Ni
остальное
B
0.2
Недостаток сплава - относительно низкие значения σ и σ при комнатной температуре 1250 МПа и 833 МПа.
Прототипом предлагаемого сплава является «Жаропрочный сплав на основе никеля» патент РФ 2160789 от 20.11.1998 года следующего химического состава (в масс. %):
Cr
8,0-11,0
Со
14,0-18,0
W
4,5-5,9
Мо
3,0-5,5
Al
4,5-6,0
Ti
1,5-3,0
Nb
2,0-3,5
Hf
0,2-1,5
С
0,02-0,08
В
0,01-0,035
Mg
0,005-0,1
Се
0,01-0,06
Zr
0,01-0,1
Ni
остальное
B
0.2
Недостатком сплава-прототипа являются относительно низкие значения долговечности материала при испытаниях на длительную прочность при температурах 650°С и 750°С. При испытаниях на растяжение при температуре 800°С не обеспечиваются требуемые характеристики прочности и пластичности σ≥1150 МПа, σ≥1079 МПа, δ≥7%, Ψ≥15%.
Сплав также не обеспечивает требуемое число циклов 5000-7000 при 650°С и σ≥1000 МПа до разрушения при испытаниях материала на сопротивление МЦУ.
Целью, на достижение которой направлено заявляемое изобретение, является создание новых видов ГТД (газотурбинных двигателей), ЖРД/ТРД (жидкостных ракетных двигателей), (твердотопливных ракетных двигателей) с повышенным ресурсом эксплуатации длительное время при температурах выше 500°С и/или используемых кратковременно при температурах до 800°С. Материал наряду с характеристиками прочности, долговечности и сопротивления МЦУ при комнатной и рабочей температурах должен иметь более высокие показатели пластичности и ударной вязкости.
Технический результат - повышение характеристик длительной прочности и сопротивления МЦУ при рабочих температурах в сочетании с повышенными значениями прочностных и пластических характеристик при комнатной температуре.
Предлагаемый сплав отличается от известного тем, что содержание бора, гафния, церия и циркония устанавливается ниже минимального значения и компоненты взяты в следующем соотношении, мас. %:
1. вместо содержания В 0,01-0,035 масс % (прототип) предлагается ввести содержание В от 0.006 до менее 0.019 масс. %;
2. вместо содержания Hf 0,2-1,5 масс % (прототип) предлагается ввести содержание Hf от 0.08 до менее 0.2 масс. %;
3. вместо содержания Се 0,01-0,06 масс % (прототип) предлагается ввести содержание Се от 0.001 до менее 0.05 масс. %;
4. вместо содержания Zr 0,01-0,1 масс. % (прототип) предлагается ввести содержание Zr от 0.003 до менее 0.01 масс. %;
5. Hf входит в состав карбидов (Hf, Nb, Ti)C, образующихся в процессе кристаллизации слитка при температурах двухфазной области (жидкий расплав - γ-твердый раствор) и сохраняющихся в гранулах и в компактном материале. Hf, как легирующий компонент, активно связывает избыточный углерод. Предлагаемый нижний уровень содержания Hf 0,08 масс. % является достаточным для указанной цели. Содержание Hf свыше 0,2 масс. % уменьшает пластичность сплавов и, как следствие, снижает ресурсные характеристики материала, например, сопротивление МЦУ.
23
6
6. В (бор) содержание от 0,006 до менее 0,019 мас. %, он в жаропрочных никелевых сплавах почти не влияет на прочностные свойства сплава при температурах ниже 600°С. Бор необходим для обеспечения заданного уровня долговечности образцов при испытаниях на длительную прочность при температурах 650-800°С. Эксперименты показывают, что при испытании сплава на длительную прочность предлагаемая концентрация атомов бора 0,006 масс. % достаточна для его оптимального содержания на границе зерен. Остальные атомы бора сосредоточены в боридах и карбоборидах. Образование мелких (0,3-0,8 мкм) зернограничных карбоборидов типа Ме(В, С) положительно влияет на результаты испытаний, тогда как образование крупных (3-10 мкм) карбоборидов типа Ме(В, С), являющихся концентраторами напряжений, снижает показатели прочности и пластичности при комнатной температуре, а также характеристики долговечности.
7. Се (церий) содержание от 0,001 до менее 0,01 мас. %, он является одним из самых активных рафинирующих элементов, связывающих в сплаве вредные примеси S и Р. Предлагаемый нижний уровень содержания церия 0,001 мас. % является достаточным для сужения содержания S и Р что обеспечит требуемый комплекс характеристик при комнатной и рабочих температурах.
8. Zr (цирконий) содержание от 0,003 до менее 0,01 мас. %, он адсорбируется на границах зерен и положительно влияет на длительную прочность сплавов. Предлагаемый нижний уровень содержания циркония 0,003 мас. % является достаточным для обеспечения требуемого комплекса характеристик при рабочих температурах.
9. Ni (никель) - остальное.
Пример
По технологии ВИП (вакуумно-индукционная плавка) → ВДП (вакуумно-индукционный переплав) → PREP (плазменная плавка и центробежное распыление вращающейся заготовки) → ГИП (Горячее изостатическое прессование) → Термическая обработка был изготовлен и опробован сплав предлагаемого химического состава:
Cr
9,1
Со
16,2
W
5,1
Мо
4,2
Al
4,9
Ti
1,8
Nb
2,6
Hf
0,1
С
0,04
В
0,006
Mg
0,005
Се
0,004
Zr
0,0038
Ni
остальное
По аналогичной технологии был получен сплав-прототип.
Механические характеристики предлагаемого сплава и сплава-прототипа представлены в Таблице.
Из представленных данных видно, что образцы предлагаемого гранулированного сплава показали значения длительной прочности на 12% больше и число циклов при испытаниях на малоцикловую усталость (МЦУ) на 65% больше, чем в случае образцов из сплава-прототипа.