ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ
HEAT RESISTANT ALLOY ON BASE OF NICKEL

Изобретение относится к металлургии сплавов, в частности к производству жаропрочных сплавов на основе никеля, предназначенных для изготовления методом направленной кристаллизации из них изделий с монокристаллической и направленной структурой, например лопаток газовых турбин, работающих длительно при температурах до 1150°С.
Известен жаропрочный сплав на основе никеля следующего химического состава, мас.%:
Хром
2,0-5,0
Кобальт
0,1-15,0
Алюминий
5,0-7,0
Вольфрам
4,0-8,0
Молибден
2,9-4,5
Тантал
4,0-8,0
Рений
3,0-6,0
Рутений
1,0-4,0
Гафний
0,01-0,5
Никель
остальное
(заявка US №2003/0075247)
2
Известный сплав обладает недостаточно высокими характеристиками жаростойкости и длительной прочности: при рабочей температуре 1100°С потеря удельной массы сплава за 500 часов статического окисления составляет ~500 г/м, время до разрушения при испытании на длительную прочность при напряжении 137,2 МПа составляет 412,3 часа.
Известен жаропрочный сплав на основе никеля марки TMS-196 следующего химического состава, мас.%:
Хром
4,6
Кобальт
5,6
Алюминий
5,6
Вольфрам
5,0
Молибден
2,4
Тантал
5,6
Рений
6,4
Рутений
5,0
Гафний
0,1
Никель
остальное
(A. Sato, H. Harada, An-C. Yen, at al. «A 5th generation SC superalloy with balanced high temperature properties and rocessability» //Superalloys 2008. R.C. Reed, K.A. Green, p. Caron et al. (Eds). Publ. of the Minerals, Metals & Materials Society. Seven Springs Mountain Resort, Champion (Pennsylvania), 2008, pp.131-138)
2
Известный сплав имеет низкую жаростойкость: при рабочей температуре 1100°С удельная потеря массы сплава за 20 циклов окисления общей длительностью 100 часов составляет ~90 г/м.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является жаропрочный сплав на основе никеля.
Жаропрочный сплав на основе никеля имеет следующий химический состав, мас.%:
Хром
2,1-3,3
Кобальт
5,0-7,0
Алюминий
5,7-6,3
Вольфрам
3,2-4,8
Молибден
3,5-5,0
Тантал
4,0-5,0
Рений
5,6-7,0
Рутений
2,0-6,0
Церий
0,001-0,02
Лантан
0,002-0,25
Неодим
0,0005-0,01
Иттрий
0,002-0,02
Углерод
0,002-0,02
Бор
0,0004-0,004
Никель
остальное (патент РФ №2293782)
Дополнительные исследования показали, что сплав-прототип обладает недостаточно высокой жаростойкостью и длительной прочностью.
Технической задачей предлагаемого изобретения является улучшение жаростойкости и повышение длительной прочности жаропрочного сплава на основе никеля при рабочих температурах 900-1150°С.
Для достижения поставленной технической задачи предложен жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий хром, кобальт, алюминий, вольфрам, молибден, тантал, рений, рутений, церий, лантан, неодим, иттрий, углерод, бор, который дополнительно содержит магний и/или кальций, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Хром
2,5-4,5
Кобальт
5,0-6,0
Алюминий
5,4-6,0
Вольфрам
3,5-4,5
Молибден
2,8-3,8
Тантал
5,3-6,3
Рений
5,8-6,8
Рутений
4,6-6,4
Церий
0,001-0,02
Лантан
0,002-0,1
Неодим
0,0005-0,01
Иттрий
0,002-0,02
Углерод
0,002-0,05
Бор
0,0004-0,004
магний и/или
кальций
0,001-0,009
Никель
остальное
В металлургии жаропрочных сплавов на основе никеля с равноосной структурой известна положительная роль микролегирования магнием и/или кальцием, заключающаяся в повышении когезивной прочности границ зерен. Вместе с тем также известно, что в жаропрочные сплавы на основе никеля с монокристаллической и направленной структурой магний и кальций не вводятся, поскольку эти элементы значительно снижают температуру плавления никеля.
Однако было установлено, что введение магния и/или кальция в жаропрочный сплав на основе никеля при заявленном содержании и соотношении компонентов приводит к повышению характеристик жаростойкости и длительной прочности сплава в связи со способностью этих элементов образовывать тугоплавкие сульфиды и оксиды в виде высокодисперсных частиц с неизбежными примесями серы и кислорода.
Образование указанных химических соединений обусловлено тем, что в процессе кристаллизации магний и/или кальций из-за весьма низких коэффициентов распределения (K~0,001) сегрегируют в расплав и накапливаются в локальных объемах перед движущимся фронтом роста дендритных ветвей монокристаллической и направленно закристаллизованной отливки сплава, достигая при этом необходимых концентраций. Из-за рафинирующего эффекта содержание неизбежных вредных примесей серы и кислорода в объеме затвердевшего сплава понижается и, следовательно, снижается их отрицательное воздействие на жаростойкость и длительную прочность сплава, а также повышается способность сплава к формированию при направленной кристаллизации монокристаллической и столбчатой структуры. В результате повышается структурное совершенство сплава, способствуя улучшению жаростойкости и длительной прочности.
Пример осуществления
В вакуумной индукционной печи были выплавлены четыре сплава предлагаемого состава и один сплав состава, взятого за прототип. Содержание компонентов (мас.%) в композициях сплавов приведено в таблице 1. Затем эти сплавы переплавляли в вакуумной печи для направленной кристаллизации и получали цилиндрические отливки диаметром 16 мм и длиной 190 мм. Далее эти отливки подвергали термической обработке и изготавливали из них образцы для испытаний на жаростойкость и длительную прочность.
Полученные результаты испытаний на жаростойкость и длительную прочность сплавов приведены в таблице 2.
Как видно из таблицы 2, предлагаемый сплав имеет более высокую (на 30-40%) жаростойкость, чем сплав, взятый за прототип. Характеристики длительной прочности - долговечность (время до разрушения) предлагаемого сплава при температуре 900°С больше в 1,9 раза, при температуре 1100°С больше в 2,3 раза, при температуре 1150°С больше в 1,5, чем сплава, взятого за прототип.
Таким образом, предлагаемый жаропрочный сплав на основе никеля значительно превосходит сплав-прототип по характеристикам жаростойкости и длительной прочности, что позволяет повысить надежность и ресурс турбинных лопаток в интервале рабочих температур 900-1150°C.
Таблица 2
Пример
Характеристики жаростойкости при Т=1100°С за 20 циклов окисления общей длительностью 100 час
Время до разрушения при испытании на длительную прочность, час
Потеря удельной массы, г/м<sup>2</sup>
Глубина коррозии, мкм
Т=900°С σ=450 МПа
Т=1100°С σ=130 МПа
Т=1150°С σ=100 МПа
1
Сплав-прототип
35
43
619
831
295
2
Заявляемый сплав
18
29
1220
1754
448
3
20
30
1189
2062
469
4
23
33
1309
1698
431
5
25
32
1205
1975
492