Жаропрочный литейный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него
HEAT-RESISTANT CAST Ni-BASED ALLOY AND PRODUCT MADE OF IT

Изобретение относится к металлургии, а именно к коррозионно-стойким жаропрочным сплавам на основе никеля, предназначенным для изготовления деталей газотурбинных двигателей и установок, длительно работающих в агрессивных средах при температурах до 700°С.
Известен жаропрочный никелевый сплав следующего химического состава, мас. %:
хром
15-23
молибден
2-4
ниобий или тантал
4-8
алюминий
не более 0,2
титан
не более 0,2
углерод
не более 0,10
кремний
не более 0,50
бор
0,005-0,015
железо
до 30,0
марганец
до 1,0
никель или кобальт
45-60
(US 3046108 А, 24.07.1962).
Сплав имеет невысокие значения длительной прочности при температурах в интервале 600-650°С, а также пониженную коррозионную стойкость.
Известен жаропрочный никелевый сплав следующего химического состава, мас. %:
углерод
0,005-0,03
хром
14-18
железо
15-45
алюминий
0,5-2,0
азот
0,005-0,05
титан
0,5-2,0
ниобий
1,5-5,0
никель
остальное
(US 8043068 В2, 25.10.2011).
Сплав имеет пониженную структурную стабильность: в процессе эксплуатации в его структуре происходят необратимые изменения и образуются нежелательные топологически плотноупакованные (ТПУ) фазы (σ, δ и др.), которые охрупчивают металл и тем самым понижают механические свойства.
Известен сплав на основе никеля следующего химического состава, мас. %:
хром
17-21
углерод
0,01-0,05
марганец
max 0,35
кремний
max 0,35
фосфор
0,004-0,020
сера
max 0,0025
молибден
2,5-3,1
ниобий
5,2-5,8
титан
0,5-1,0
алюминий
1,2-1,7
кобальт
8-10
вольфрам
0,8-1,4
бор
0,003-0,008
медь
max 0,3
железо
8-10
никель
остальное
(US 8551266 В2, 08.10.2013).
Сплав имеет пониженные характеристики длительной и кратковременной прочности при температуре 650°С, а также склонен к образованию ТПУ фаз (σ, δ и др.) в процессе эксплуатации.
Наиболее близким аналогом является сплав на никелевой основе, предназначенный для получения различных деталей газотурбинного двигателя, таких как диски, лопатки, валы, кожуха, и содержащий, мас. %:
углерод
не более 0,10
хром
12-20
молибден
до 4
вольфрам
до 6
кобальт
5-12
железо
до 14
ниобий
4-8
алюминий
0,6-2,6
титан
0,4-1,4
фосфор
0,003-0,03
бор
0,003-0,015
никель
остальное
причем суммарное содержание молибдена и вольфрама составляет 2-8 мас. %, суммарное содержание алюминия и титана составляет 2-6 ат. %, отношение количества алюминия к титану (в ат. %) составляет 1,5, отношение суммарного содержания алюминия и титана (в ат. %) к содержанию ниобия (в ат. %) составляет 0,8-1,3 (US 6730264 В2, 04.05.2004).
Данный сплав имеет невысокие значения длительной прочности, коррозионной стойкости и ограниченный ресурс работы в составе двигателя из-за образования в структуре σ-фазы в процессе эксплуатации.
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка жаропрочного сплава на основе никеля с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение длительной прочности, коррозионной стойкости, структурной стабильности, увеличение ресурса работы сплава при температуре 650°С.
Для достижения технического результата предложен жаропрочный литейный сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, алюминий, титан, молибден, железо, ниобий, бор, вольфрам, кобальт, а также цирконий, лантан, барий, рений и гафний при следующем соотношении компонентов, мас. %:
углерод
до 0,08
хром
16-21
алюминий
0,3-2,0
титан
0,5-2,0
молибден
2,0-3,5
железо
от более 11,0 до 20,0
ниобий
4,0-6,0
бор
до 0,02
вольфрам
до 2,5
кобальт
до 10,2
цирконий
до 0,08
лантан
до 0,20
барий
до 0,03
рений
до 0,02
гафний
до 0,10
никель
остальное
Также предложено изделие, выполненное из данного сплава.
По сравнению со сплавом-прототипом в предлагаемом сплаве содержатся небольшие строго регламентированные количества циркония, лантана, бария, рения и гафния.
Было установлено, что дополнительное введение в сплав лантана и бария позволили снизить скорость высокотемпературной сульфидно-оксидной и хлоридной коррозии за счет создания на поверхности металла защитного барьерного слоя на основе термодинамически высокостабильных соединений с лантаном и барием, который ослабляет диффузионные потоки ионов серы и кислорода, а также уменьшает микропористость оксидной пленки.
Введение циркония совместно с гафнием обеспечивает стабилизацию структурных составляющих сплава, в частности карбидов, способствует упрочнению границ зерен за счет подавления образования легкоплавких соединений, тем самым повышается ресурс работы двигателя и исключается образование в процессе наработки охрупчивающих фаз.
Введение рения позволяет дополнительно упрочнить γ-твердый раствор сплава и тем самым повысить жаропрочные свойства.
Помимо положительного влияния лантана на коррозионные свойства сплава было также установлено, что при его введении в структуре образуются мелкодисперсные наноразмерные частицы γ'-фазы, которые выделяются в γ-твердом растворе между более крупными частицами γ'-фазы, блокируют и задерживают перемещение дислокаций в процессе ползучести металла при повышенной температуре и напряжении, тем самым обеспечивая повышение жаропрочности.
Примеры осуществления
В вакуумной индукционной печи ВИАМ2002 было выплавлено пять плавок предлагаемого сплава и одна плавка сплава, взятого за прототип. Масса каждой плавки составляла 10 кг. Все плавки были переплавлены в вакуумной плавильно-разливочной установке УППФ-У и отлиты в керамические блоки с заготовками под образцы с равноосной структурой.
После проведения термической обработки из заготовок были изготовлены образцы для испытаний на длительную прочность при высоких температурах, а также образцы для испытаний на сульфидно-оксидную и хлоридную коррозию.
Составы образцов сплавов приведены в таблице 1.
Испытания на длительную прочность проводили при температуре 650°С и напряжении 650 МПа. От каждой плавки были испытаны два образца. Результаты испытания приведены в таблице 2.
Испытания на коррозию проводили по циклическому режиму. Один цикл испытаний включал:
2
4
- нанесение на горячую поверхность образцов солевой корки водного раствора смеси солей 75% NaSO + 25% NaCl (для сульфидно-оксидной коррозии) или 3,5% водного раствора NaCl (для хлоридной коррозии);
- выдержку образцов при Т=650°С в течение 1 часа в нагревательной печи;
- охлаждение на воздухе.
Общая продолжительность испытаний - 30 циклов.
Оценку стойкости образцов к коррозии проводили по удельному изменению (убыли) массы путем взвешивания образцов через каждые 5 циклов.
На каждый вид испытаний на коррозию было изготовлено по 6 образцов. Усредненные результаты испытаний по 6-и образцам на длительную прочность и коррозию приведены в таблице 2.
Полученные результаты показывают, что время до разрушения предлагаемого сплава при испытаниях на длительную прочность при температуре 650°С заметно превосходит долговечность сплава-прототипа, т.е. срок службы предлагаемого сплава в сравнении со сплавом-прототипом может быть увеличен.
Предлагаемый сплав обладает более высокой коррозионной стойкостью при температуре 650°С в сульфидно-оксидной и хлоридной среде, чем сплав-прототип: удельное изменение (убыль) массы образцов в обеих средах у предлагаемого сплава существенно меньше.
Металлографический анализ структуры разрушенных образцов после испытаний на длительную прочность при температуре 650°С не выявил образования охрупчивающих ТПУ-фаз (σ, μ и т.д.), что подтверждает фазовую и структурную стабильность предлагаемого сплава.
Таким образом, предлагаемый сплав существенно превосходит известный сплав по долговечности и коррозионной стойкости, что позволит повысить ресурс работы и надежность изделий газотурбинных двигателей и установок, длительно работающих в агрессивных средах при повышенных температурах и напряжениях.
* элементы в сплаве присутствуют, но в меньшем количестве, нежели предел чувствительности метода определения концентрации компонентов (менее 0,00005 мас. %)