ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ ДЛЯ ЛИТЬЯ РАБОЧИХ ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК
REFRACTORY NICKEL-BASED ALLOY FOR CASTING GAS TURBINE WORKING BLADES

Изобретение относится к металлургии, в частности к литейным жаропрочным коррозионностойким сплавам на основе никеля с хромом и кобальтом, и может быть использовано для изготовления литьем деталей горячего тракта газотурбинных установок (ГТУ), например, рабочих лопаток (РЛ) газовой турбины с монокристаллической (МК), направленной (НК) и равноосной (PC) структурами, работающих в агрессивных средах при температурах 800-1000°C.
3
Высокие прочностные характеристики таких сплавов достигаются за счет значительного количества (50-70 об.%) упрочняющей γ′-фазы (NiAl), легированной ниобием, титаном, танталом и т.д., а также упрочнением твердого раствора (γ-фазы) кобальтом, хромом, молибденом, вольфрамом и рением. Повышенную коррозионную стойкость обеспечивают высоким содержанием хрома (как правило, 8-12 мас.%) при отношении содержания титана к алюминию Ti/Al≥0,6, а также введением рения и редкоземельных элементов. Сопротивление окислению при повышенных температурах обеспечивают повышенным содержанием алюминия и тантала, снижением содержания хрома и, в первую очередь, молибдена и также введением редкоземельных элементов.
Структурная стабильность на ресурс (исключение образования охрупчивающих фаз) и склонность к образованию при кристаллизации неравновесных фаз, на месте которых после их распада при термообработке будут зарождаться поры и трещины, могут быть оценены по известной методике ФАКОМП.
Характеристики длительной прочности, критические точки сплава и другие его физико-механические свойства также могут быть оценены по известным методикам.
(H. Harada и др., Сб. Superalloys, 1988; p.p.733-742; Сб. Superalloys, 2000; p.p.729-736)
Известен жаропрочный сплав на основе никеля для литья лопаток газовой турбины с монокристаллической структурой, содержащий кобальт, хром, молибден, вольфрам, тантал, алюминий, титан, гафний, рений, при следующем соотношении компонентов, мас.%: кобальт 9,3-10,0; хром 6,4-6,8; молибден 0,5-0,7; вольфрам 6,2-6,6; тантал 6,3-6,7; алюминий 5,45-5,75; титан 0,8-1,2; гафний 0,07-0,12, рений 2,8-3,2; никель - остальное. Максимальное содержание углерода в известном сплаве ограничено 60 ppm, бора - 30 ppm, циркония - 75 ppm, серы - 20 ppm, кремния - 400 ppm.
(US 4643782, C22C 19/05, опубликовано 17.02.1987)
Литые рабочие лопатки газовой турбины, изготовленные из известного сплава, имеют повышенный объем неравновесной эвтектической γ′-фазы (6-8%), что при литье может привести к значительной пористости отливки, а также к снижению коррозионной стойкости и окислению лопаток в условиях воздействия агрессивной среды из-за неоптимальных соотношений легирующих элементов.
Наиболее близким является жаропрочный сплав на основе никеля для изготовления методом направленной кристаллизацией рабочих лопаток газовых турбин с направленной и монокристаллической структурами. Известный сплав включает углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, тантал, рений, бор, ниобий, церий, иттрий, лантан, неодим и никель, при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,05-0,12; хром 5,0-6,0; кобальт 8,0-10,0; вольфрам 6,5-7,5; молибден 0,8-1,5; алюминий 5,5-6,0; тантал 4,4-5,4; рений 3,8-4,6; бор 0,001-0,02; ниобий 0,6-1,0; церий 0,005-0,10; иттрий 0,0001-0,002; лантан 0,001-0,05; неодим 0,0005-0,01; никель остальное.
(RU 2148099, C22C 19/05, опубликовано 27.04.2000)
Однако данный известный сплав при высоких показателях по жаропрочности имеет низкую коррозионную стойкость и пониженную стойкость к окислению из-за значительного содержания молибдена.
Целью изобретения и его техническим результатом является достижение повышенной длительной прочности жаропрочного сплава для литых лопаток газовых турбин в сочетании с высоким сопротивлением окислению и, особенно, коррозионным воздействиям; повышенной структурной стабильности на ресурс; улучшения технологических характеристик сплава. Кроме того, предлагаемый сплав обеспечивает получение рабочих лопаток газовых турбин с монокристаллической, направленной или равноосной структурами.
Технический результат достигается тем, что жаропрочный сплав на основе никеля для литья рабочих лопаток газотурбинных установок содержит углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, тантал, рений, бор, ниобий, церий, иттрий, титан, гафний, магний, марганец, кремний и никель остальное, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод
0,001-0,12
хром
9,7-10,3
кобальт
3,3-4,3
вольфрам
5,8-6,5
молибден
0,15-0,3
алюминий
3,5-3,9
тантал
3,8-4,2
рений
4,5-4,9
бор
0,0003-0,01
ниобий
0,10-0,20
церий
0,002-0,012
иттрий
0,002-0,012
титан
3,0-3,4
гафний
0,10-0,20
магний
0,005-0,2
марганец
0,002-0,12
кремний
0,005-0,2
никель
остальное
при этом церий и иттрий содержатся в равных количествах, а при суммарном содержании алюминия и титана 6,5-7,3 мас.% отношение содержания титана к содержанию алюминия >0,75.
3
3
В сплаве по изобретению количество упрочняющей γ′-фазы (NiAl) составляет 56,0-58,9 ат.%, что обеспечивает высокий и стабильный уровень служебных характеристик, например, жаропрочность: 347-357 МПа за 10 часов при 900°C.
Оптимальное содержание вольфрама, рения, тантала дает повышенную жаропрочность литого сплава, однако дальнейшее увеличение их суммарного содержания вызывает значительный рост температуры растворения γ′-фазы, что можно компенсировать увеличением содержания кобальта, но это удорожает сплав.
Гафний в сочетании с ниобием в заявленных концентрациях обеспечивают достаточную пластичность литого сплава на длительный ресурс и стабилизацию карбидов.
При этом заявленные соотношения компонентов в сплаве исключают в процессе наработки появление охрупчивающих фаз и ограничивают выделение неравновесной эвтектической γ′-фазы, что обеспечивает пониженный объем газо-усадочной пористости и повышает устойчивость изделия к образованию трещин. Высокое отношение содержания титана к содержанию алюминию >0,75, в сочетании с высоким содержанием хрома и рения, присутствия редкоземельных металлов, а также магния, кремния и марганца, способствует повышению коррозионной стойкости предлагаемого сплава.
Предлагаемый сплав по изобретению за счет изменения содержания углерода и бора позволяет получать лопатки с монокристаллической, направленной или равноосной структурами. При этом монокристаллическая структура достигается при содержании углерода и бора в сплаве преимущественно в диапазонах 0,001-0,02 и 0,0003-0,002 соответственно, а направленная и равноосная структуры - при содержании углерода и бора в сплаве преимущественно в диапазонах 0,04-0,12 и 0,004-0,01 соответственно.
В сравнении со сплавом с монокристаллической структурой сплав с направленной и равноосной структурами будет иметь примерно равную структурную стабильность при некотором снижении характеристик кратковременной и длительной прочности. По сравнению со сплавом, имеющим монокристаллическую структуру, преимуществом сплава с направленной и равноосной структурами является более низкая стоимость литых заготовок, в основном, за счет повышенного выхода годного.
Для получения литых рабочих лопаток газовой турбины из сплава по изобретению используют известные способы и устройства для литья турбинных лопаток из жаропрочных сплавов с монокристаллической, направленной и равноосной структурами. Термообработка литых заготовок включает гомогенизирующий отжиг при температуре около 1270°C в течение 3-10 часов.
Достижение поставленного технического результата можно проиллюстрировать данными из таблиц 1 и 2.
Из представленных данных видно, что сплав по изобретению с монокристаллической структурой (МК) при примерно равных значениях по жаропрочности при температурах 800-950°C значительно (примерно на порядок) превосходит известный сплав по коррозионной стойкости. Сплавы с направленной (НК) и равноосной (PC) имеют ожидаемые более низкие служебные характеристики, однако достаточные для применения таких сплавов для изготовления литьем рабочих лопаток первых ступеней газовых турбин.
Достигаемое повышенное сопротивление агрессивным воздействиям среды предлагаемого сплава (по сравнению с известным аналогом) позволяет увеличить эксплуатационную надежность и срок службы изделий и, как следствие, приводит к снижению годовой потребности в металле.
Узкие интервалы легирования позволяют уменьшить разброс значений служебных характеристик и обеспечивают гарантированные значения прочности и пластичности, закладываемые конструкторами в расчет изделия.
Таблица 1
Содержание компонентов, мас.%
Известный сплав
Сплав по изобретению
CMSX-4 по US 4643782
по RU 2148099
МК структура
РС и НК структуры
углерод
менее 60 ppm
0,08
0,01
0,08
хром
6,5
5,5
10,0
10,0
кобальт
9,6
9,0
3,5
4,0
вольфрам
6,4
7,0
6,0
6,3
молибден
0,6
1,1
0,2
0,2
алюминий
5,6
5,8
3,7
3,7
тантал
6,5
4,9
4,0
4,0
рений
3,0
4,2
4,7
4,7
ниобий
-
0,8
0,10
0,15
титан
1,0
-
3,2
3,2
церий
-
0,010
0,006
0,006
иттрий
-
0,001
0,006
0,006
гафний
0,10
-
0,10
0,15
магний
-
-
0,01
0,02
марганец
-
-
0,05
0,05
кремний
менее 400 ppm
-
0,01
0,02
бор
менее 40 ppm
0,01
0,001
0,008
Лантан, неодим
-
по 0,001
-
-
никель
остальное
остальное
остальное
остальное
Таблица 2
Характеристики сплава
Известный сплав
Сплав по изобретению
CMSX-4 по US 5270123
по RU 2148099
МК структура
НК структура
PC структура
1. Упрочняющая γ′-фаза
69,7
67,1
56,6
57,0
57,0
1.1. Объем γ′-фазы, ат.%
1.2. Суммарное содержание титана и алюминия, мас.%
6,6
5,8
6,9
6,9
6,9
1.3. Сольвус Tγ′ осредненный, °C
1290
1271
1263
1263
1263
1.4. Степень залегированности γ′-фазы
1,099
1,058
1,033
1,015
1,015
1.5. Отношение содержания Ti/Al
0,18
-
0,86
0,86
0,86
1.6. Mismach при 900°C
-0,001
-0,002
-0,005
-0,005
-0,005
1.7. Количество неравновесной γ′-фазы, межось-литой, %
6-7
1-2
2-3
1-2
1-2
2. Энергия дефектов упаковки в γ-фазе
1,353
2,157
0,187
0,271
0,271
3. Плотность т/м<sup>3</sup>
8,72
8,78
8,74
8,73
8,73
4. Структурная стабильность ФАКОМП,
0,913
0,898
0,930
0,930
0,930
4.1. M<sub>dy крит</sub>≤0,928 осредненный с ТО
4.2. литой без ТО: межось
0,907
0,911
0,898
0,893
0,893
5. Длительная прочность
1)<maths num="1"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>σ</mi><mrow><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>3</mn></msup></mrow><mrow><mn>750</mn><mo>°</mo><mi>C</mi></mrow></msubsup></mrow></math><img file="00000001.tif" he="8" wi="12" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
-
-
-
-
608
2)<maths num="2"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>σ</mi><mrow><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>3</mn></msup></mrow><mrow><mn>850</mn><mo>°</mo><mi>C</mi></mrow></msubsup></mrow></math><img file="00000002.tif" he="8" wi="11" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
497
510
507
460
354
3)<maths num="3"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>σ</mi><mrow><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>3</mn></msup></mrow><mrow><mn>900</mn><mo>°</mo><mi>C</mi></mrow></msubsup></mrow></math><img file="00000003.tif" he="8" wi="12" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
346
353
350
315
252
4)<maths num="4"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>σ</mi><mrow><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>3</mn></msup></mrow><mrow><mn>1000</mn><mo>°</mo><mi>C</mi></mrow></msubsup></mrow></math><img file="00000004.tif" he="8" wi="13" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
184
184
184
162
-
6. Сравнительная коррозионная стойкость
0,982
0,569
-1,323
-1,323
-1,323
lg Metall loss (JN792=-0,26)
lg corros Rate (JN792=0,1)
0,186
0,402
-0,538
-0,526
-0,526
7. Относительная стоимость литой заготовки рабочей лопатки
-
-
1,0
0,75
0,45