ЖАРОПРОЧНЫЙ ДЕФОРМИРУЕМЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ ЭТОГО СПЛАВА
HEAT-RESISTANT NICKEL-BASE WROUGHT ALLOY AND ARTICLE MADE FROM THIS ALLOY

Изобретение относится к области металлургии жаропрочных деформируемых сплавов на основе никеля и изделий, выполненных из этих сплавов для авиационной техники, машиностроения и других отраслей народного хозяйства, и может быть использовано для изготовления дисков турбин газотурбинных двигателей и других узлов и деталей, работающих при температурах до 800°С во всеклиматических условиях.
3
Сплавы представляют собой многокомпонентные системы на основе никеля, упрочняемые ~50% γ′-фазы - интерметаллида Ni(Al, Ti, Nb), карбидами и боридами.
Основными требованиями, предъявляемыми к этому классу материалов, являются: высокий уровень прочностных характеристик в интервале рабочих температур при кратковременных, длительных и циклических испытаниях, высокая коррозионная стойкость. Это обеспечивает надежную работу изделий из предлагаемых сплавов, позволит увеличить их ресурс и весовую отдачу.
Известен жаропрочный сплав на никелевой основе для тяжело нагруженных деталей горячего тракта ГТД, в том числе для дисков турбины, следующего химического состава, мас.%:
Кобальт
16,0-22,4
Хром
6,6-14,3
Вольфрам
1,9-4,0
Молибден
1,9-3,9
Рений
0-2,5
Алюминий
2,6-4,8
Титан
2,4-4,6
Ниобий
0,9-3,0
Тантал
1,4-3,5
Углерод
0,02-0,10
Бор
0,02-0,10
Цирконий
0,03-0,10
Никель
Остальное
(Патент EP №1201777).
Известен также сплав, содержащий, мас.%:
Кобальт
14,0-16,0
Хром
9,0-11,0
Железо
0,001-1,0
Вольфрам
5,2-6,8
Молибден
3,0-3,9
Алюминий
3,2-4,5
Титан
3,0-3,9
Ниобий
1,2-2,4
Углерод
0,02-0,1
Бор
0,005-0,05
Цирконий
0,001-0,05
Гафний
0,05-0,5
Магний
0,001-0,05
Марганец
0,001-0,5
Кремний
0,001-0,5
Никель
Остальное
(Патент РФ №2294393).
Эти сплавы не обладают комплексом свойств, необходимым для материала деталей горячего тракта турбины, в том числе дисков, перспективных газотурбинных двигателей нового поколения: высоким уровнем прочности, сопротивлением малоцикловой усталости в сочетании с жаропрочностью. Для работы в сложных климатических условиях, например при наличии в атмосфере или в продуктах горения топлива ионов хлора и серы, их коррозионная стойкость недостаточна. Необходимый уровень надежности и ресурса они не обеспечивают.
Известен жаропрочный деформируемый сплав на никелевой основе для дисков турбин и других узлов и деталей горячего тракта ГТД следующего химического состава, мас.%:
Кобальт
14,0-15,9
Хром
9,7-12,0
Вольфрам
1,5-3,5
Молибден
3,5-4,5
Рений
0,5-2,5
Алюминий
3,5-4,2
Титан
2,5-3,5
Ниобий
2,5-4,0
Ванадий
0,4-0,7
Углерод
0,04-0,10
Бор
0,007-0,014
Лантан
0,005-0,015
Церий
0,003-0,010
Магний
0,004-0,015
Скандий
0,003-0,015
Никель
Остальное
(Патент РФ №2280091).
х
Сплав обладает высокой жаропрочностью в интервале температур от 650 до 850°С, прочностью при комнатной температуре. Однако стойкость к сульфидно-оксидной коррозии сплава недостаточна для перспективных двигателей нового поколения. Кроме того, высокая стоимость рения приводит к значительному (до 2 раз) удорожании сплава по сравнению с серийными материалами аналогичного назначения, что ограничивает его практическое применение в изделиях нового поколения.
Наиболее близким по составу и назначению к предлагаемому является сплав со следующим содержанием компонентов, мас.%:
Кобальт
13,0÷15,0
Хром
8,5÷9,5
Вольфрам
5,3÷6,5
Молибден
3,0÷3,5
Алюминий
3,6÷4,0
Титан
2,5÷2,9
Ниобий
3,2÷3,8
Ванадий
0,1÷0,6
Углерод
0,08÷0,14
Бор
0,008÷0,02
Цирконий
0,01÷0,06
Лантан
0,005÷0,012
Церий
0,005÷0,03
Магний
0,003÷0,1
Никель
Остальное
(Патент РФ №2022044).
Недостатками этого сплава являются недостаточно высокие прочностные характеристики, жаропрочность, малоцикловая усталость и стойкость к сульфидно-оксидной коррозии. Свойства сплава, представленные в патенте, получены после проведения специальной термомеханической обработки, в результате которой формируется структура «ожерелье». Изделия из этого сплава с такой структурой обладают ограниченными значениями ресурса и надежности при температурах выше 700°С.
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка жаропрочного деформируемого сплава на основе никеля, обладающего высоким комплексом свойств: длительной прочностью при температурах до 800°С, прочностью при комнатной температуре, высоким сопротивлением малоцикловой усталости и сопротивлением сульфидно-оксидной коррозии, что обеспечивает применение этого сплава в изделиях нового поколения.
Для решения поставленной задачи предлагается жаропрочный деформируемый сплав на основе никеля, содержащий кобальт, хром, вольфрам, молибден, алюминий, титан, ниобий, ванадий, углерод, бор, лантан, церий, магний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит скандий и кремний при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Кобальт
9,5-16,0
Хром
9,0-11,0
Вольфрам
2,5-3,4
Молибден
3,5-4,8
Алюминий
3,4-4,0
Титан
2,3-3,5
Ниобий
4,1-4,8
Ванадий
0,2-0,8
Углерод
0,04-0,10
Бор
0,007-0,02
Лантан
0,003-0,06
Церий
0,003-0,02
Магний
0,003-0,02
Скандий
0,003-0,05
Кремний
0,005-0,3
Никель
Остальное
и изделие, выполненное из него.
Для изделий длительно работающих при температурах 750÷800°С в сплав дополнительно вводят тантал в количестве 0,05÷2,0 мас.%.
Введение кремния, скандия, а также увеличение содержания ниобия в сплаве предлагаемого состава повышает одновременно прочность, жаропрочность, сопротивление малоцикловой усталости, снижает скорость сульфидно-оксидной коррозии. Это происходит из-за образования стабильных первичных и вторичных карбидов, связывания легкоплавких примесей по границам зерен, формирования оксидной пленки с большей защитной способностью на поверхности детали.
Содержание кремния и скандия меньше указанного количества - неэффективно, больше - снижает технологичность сплава при выплавке и деформации.
Дополнительное введение в сплав тантала эффективно для изделий, длительно (более 100 часов) работающих при температурах 750÷800°С. Тантал способствует формированию более термодинамически устойчивых карбидов и частиц упрочняющей γ′-фазы. Он увеличивает прочностные свойства и коррозионную стойкость сплава. Добавка менее указанного количества тантала приводит к снижению свойств сплава при длительной работе при температурах 750÷800°С, более - к снижению технологичности при выплавке и деформации.
Пример осуществления
Для практического осуществления изобретения в лабораторных условиях были выплавлены пять вакуумных индукционных плавок предлагаемого сплава, (примеры 1-4) и сплава-прототипа (пример 5) (Таблица 1).
Заливка металла плавок производилась в круглые металлические кокили. Полученные слитки были обточены «как чисто», а затем разрезаны на шихтовые заготовки. Заготовки под деформацию ⌀100 мм и весом ~22 кг получали переплавом методом высокоскоростной направленной кристаллизации.
Далее заготовки многократно деформировали. В результате получили модельные штамповки дисков ⌀200-300 мм, высотой 50-25 мм, из которых вырезали заготовки под образцы.
Термическая обработка - закалка и двойное старение.
Полученные образцы испытывали на длительную и кратковременную прочность, малоцикловую усталость, коррозионную стойкость в присутствии ионов хлора и серы при температурах 650 и 750°С.
Результаты испытаний представлены в Таблице 2.
Предлагаемый сплав превосходит сплав-прототип по всему комплексу свойств: по прочности при кратковременном разрыве при 20°С - более чем на 11%, длительной прочности при 800°С ~ на 8%, малоцикловой усталости при 750°С - более чем на 9%, сопротивлению сульфидно-оксидной коррозии - при 650°С - более 55%, при (750-800)°С - более чем в 10 раз.
Таким образом, применение предлагаемого сплава позволит повысить комплекс свойств деталей горячего тракта ГТД, повысить ресурс и надежность перспективных двигателей. Кроме того, более высокая коррозионная стойкость позволит применять изделия из этого сплава без защиты во всеклиматических условиях и при использовании топлив с высоким содержанием серы.
Таблица 1
Химический состав опытных плавок предлагаемого сплава и сплава-прототипа
№ плавки
Химический состав, мас.%
Co
Cr
W
Mo
Al
Ti
Nb
V
C
B
Zr
La
Ce
Mg
Sc
Si
Ta
Ni
1
16,0
9,0
2,5
3,5
3,4
3,5
4,8
0,8
0,04
0,007
-
0,003
0,02
0,02
0,05
0,3
-
2
14,9
10,0
3,2
4,8
3,7
2,5
4,4
0,6
0,07
0,012
-
0,010
0,007
0,008
0,009
од
-
Остальное
3
9,5
11,0
3,4
4,4
4,0
2,3
4,1
0,2
0,10
0,02
-
0,06
0,003
0,003
0,003
0,005
0,05
4
15,0
9,4
2,5
3,5
3,5
2,3
4,1
0,5
0,06
0,012
-
0,010
0,007
0,010
0,009
0,1
2,0
5
14,0
9,0
5,9
3,3
3,8
2,7
3,5
0,4
0,11
0,015
0,04
0,009
0,018
0,007
-
-
-
Таблица 2
Результаты сравнительных испытаний опытных плавок предлагаемого сплава и сплава-прототипа (средние значения)
Свойства
T
σ<sub>в</sub> <sup>20</sup>
σ<sub>0,2</sub> <sup>20</sup>
δ<sub>5</sub> <sup>20</sup>
σ<sub>100</sub>
МЦУ на базе 10<sup>4</sup> ц, гладкие образцы
Скорость сульфидно-оксидной коррозии, г/м<sup>2</sup>·ч
№ пл.
°С
МПа
%
МПа
МПа
%
1
20
1608
1198
15,3
-
1360
-
650
1570
1100
13,2
1090
1280
-0,20
750
-
-
-
720
1150
-0,45
800
-
-
-
510
-
-0,64
2
20
1625
1215
14,0
-
1370
-
650
1570
1110
13,0
1085
1300
-0,22
750
-
-
-
710
1150
-0,35
800
-
-
-
510
-
-0,43
3
20
1630
1220
13,8
-
1360
-
650
1560
ИЗО
12,9
1085
1300
-0,29
750
-
-
-
720
1160
-0,52
800
-
-
-
520
-
-0,67
4
20
1657
1273
15,2
-
1380
-
650
1570
1100
13,5
1095
1300
-0,15
750
-
-
-
730
1150
-0,23
800
-
-
-
530
-
-0,37
5
20
1450
1100
14,8
-
1360
-
650
1400
1060
18,4
1030
1100
-0,45
750
-
-
-
686
1060
-6,7
800
-
-
-
460
-
-7,1
T - температура испытания, σ<sub>в</sub> - предел прочности; σ<sub>0,2</sub> - предел текучести δ - относительное удлинение; σ<sub>100</sub> - предел сточасовой длительной прочности;
МЦУ - малоцикловая усталость.