ЛИТЕЙНЫЙ ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ
CASTING HEAT RESISTANT NICKEL-BASED ALLOY

Изобретение относится к области металлургии, в частности к литейным жаропрочным сплавам на никелевой основе, используемым для изготовления высоконагруженных деталей газотурбинных двигателей и установок, а именно рабочих и сопловых лопаток газовых турбин с направленной столбчатой и монокристальной структурой, работающих при температурах 1000°C и выше.
Развитие жаропрочных никелевых сплавов с монокристаллической структурой, используемых для изготовления рабочих и сопловых лопаток газовых турбин, является ведущим направлением, обеспечивающим значительное повышение параметров и надежности современных газотурбинных двигателей.
Достигнутое увеличение жаропрочных свойств обеспечивается за счет совершенствования теории легирования, в том числе внедрения в составы сплавов таких сравнительно новых элементов, как Та и Re. Эти элементы, обладая высокой температурой плавления и низкой диффузионной подвижностью обеспечивают:
- заметное повышение прочности межатомных связей;
- существенное повышение сопротивления деформации ползучести и возникновению устойчивых трещин;
- значительное улучшение структурной стабильности.
3
Первый отечественный сплав этой группы ЖС32 (ρ=8,76 г/см, ), содержащий 4% рения (Re) и 4% тантала (Та), не имевший на тот период аналогов ни в РФ, ни за рубежом, за сравнительно короткое время нашел широкое применение во многих газотурбинных двигателях IV поколения и сегодня является одним из наиболее востребованных материалов.
Однако использование этого сплава связано одновременно с серьезной проблемой - существенно выросшей в последние десятилетия стоимостью рения, которая достигла в настоящее время 5-8 103 USD/кг, в результате этот сплав оказался весьма дорогим, что существенно сузило возможности его применения. Стоимость шихты этого сплава в настоящий период составляет 17,8 млн. руб./т, в то время как стоимость легирующих элементов сплава предыдущего поколения ЖС6У, не содержащего рений, равна 2,2 млн. руб./т, то есть в 8 раз меньше.
Известен литейный жаропрочный сплав на основе никеля, предназначенный для литья деталей методом направленной кристаллизации, имеющий следующий состав, мас.%:
углерод
0,08-0,2
хром
4,0-6,0
кобальт
8,0-10,0
вольфрам
7,0-10,0
молибден
0,5-2,0
алюминий
5,0-7,0
рений
3,0-5,0
тантал
3,0-5,0
бор
0,005-0,03
ванадий
0,01-0,15
церий
0,001-0,04
иттрий
0,003-0,04
лантан
0,001-0,1
кремний
0,01-0,2
кислород
0,0001-0,002
азот
0,0001-0,002
никель
остальное
(описание к патенту РФ на изобретение №2365656, МПК C22C 19/05, опубл. 27.08.2009 г.).
3
Сплав предназначен для литья рабочих и сопловых лопаток газотурбинных двигателей и установок с направленной столбчатой и монокристалльной структурами. Сплав имеет достаточно высокий уровень жаропрочности, удельный вес сплава равен 8,84 г/см.
Вместе с тем стоимость его шихты является весьма высокой, что серьезно снижает объемы практического применения этого сплава.
Известен литейный жаропрочный сплав на основе никеля для литья лопаток с монокристаллической структурой, имеющий следующий средний состав, мас.%:
хром
6,0
кобальт
10,0
молибден
0,6
тантал
9,0
вольфрам
9,0
алюминий
5,7
титан
0,8
гафний
0,2
никель
остальное
(Жаклин В. Вах, Кен Харри «Новые монокристаллические жаропрочные сплавы CMSX-7 и CMSX-8», компания Cannon-Muskegon, «Superalloys 2012», TMS-2012, p.p. 179-188, под ред. Эрика С. Хайрона и др.).
3
Сплав не содержит рения, однако уровень его жаропрочности является недостаточно высоким - . Удельный вес сплава составляет 8,8 г/см.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является литейный жаропрочный сплав на основе никеля, имеющий следующий химический состав, мас.%:
хром
5,0-8,0
кобальт
9,0-12,0
вольфрам
14,0-16,0
алюминий
4,0-6,0
тантал
6,0-10,0
углерод
0,002-0,1
иттрий
0,001-0,1
лантан
0,001-0,1
церий
0,001-0,1
кремний
0,01-0,3
магний
0,01-0,15
марганец
0,01-0,3
никель
остальное
(описание к патенту РФ на изобретение №2439185, МПК C22C 19/05, опубл. 10.01.2012).
3
Сплав предназначен для литья рабочих и сопловых лопаток газотурбинных двигателей и установок с направленной столбчатой и монокристалльной структурами. Сплав обладает наиболее высоким среди всех известных аналогов, не содержащих рений, уровнем жаропрочности . Однако он отличается и весьма большим удельным весом (γ=9,03 г/см), что также затрудняет его практическое использование.
3
Задачей изобретения является снижение удельного веса жаропрочного никелевого сплава до уровня (8,84-8,87) г/см при сохранении высокой жаропрочности, соответствующей широко применяемому сплаву ЖС 32 ВИ .
Техническим результатом изобретения является снижение удельного веса сплава при сохранении высокого уровня жаропрочности.
Технический результат достигается тем, что литейный жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий хром, кобальт, вольфрам, алюминий, тантал, углерод, иттрий, лантан, церий, кремний, марганец, в отличие от известного, дополнительно содержит молибден, гафний, бор и скандий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
хром
4,0-9,0
кобальт
9,0-14,0
вольфрам
7,0-10,0
молибден
1,0-5,0
алюминий
4,0-6,0
тантал
6,0-10,0
гафний
0,1-1,0
углерод
0,002-0,1
иттрий
0,001-0,1
лантан
0,001-0,1
церий
0,001-0,1
кремний
0,01-0,2
марганец
0,01-0,3
бор
0,005-0,03
скандий
0,0002-0,01
никель
остальное
В заявленном сплаве снижено содержание тяжелого вольфрама с (14,0-16,0) мас.% до (7,0-10,0) мас.%. Вольфрам является одним из элементов, которые оказывают значительное положительное влияние на высокотемпературные прочностные свойства никелевых сплавов. Поэтому снижение его концентрации в сплаве было в определенной мере компенсировано введением в его состав молибдена в количестве (1,0-4,0) мас.%, который также положительно влияет на жаропрочность, но его удельный вес в ≈ 1,9 раза меньше, чем вольфрама.
С этой же целью одновременно в состав сплава был введен гафний, который также эффективно повышает жаропрочность, совершенствует (γ-γ') структуру и при этом его удельный вес в ≈ 1,4 раза ниже, чем удельный вес вольфрама.
Кроме того, с целью улучшения образования более дисперсных выделений частиц упрочняющей γ-фазы совершенствования (γ-γ') упрочнения в сплаве за счет улучшения состояния межфазных границ осуществленного дополнительным легированием бором и скандием.
Введение бора образует бориды, которые располагаются по дефектным местам кристаллических решеток, тем самым ограничивая их рост, и улучшая сопротивление ползучести.
При этом скандий оказывает накопительное влияние на жаростойкость и рафинирует металл, связывая серу, фосфор и другие вредные примеси в тугоплавкие мелкодисперсные частицы, которые становятся дополнительными упрочняющими сплав соединениями.
Увеличение хрома и кобальта позволяет увеличить сопротивление росту усталостной трещины, повысить жаростойкость и коррозионную стойкость, а также дополнительно упрочнить твердый раствор.
Пример осуществления.
Для апробации сплава были выплавлены три опытных состава сплава, содержание компонентов которых приведено в таблице 1.
Сплав выплавляли в вакуумной индукционной печи ВИП-0-10 Лейболд Хереце, мощностью 50 кВт, в вакууме 10-3 торр.
Переплав полученной шихтовой заготовки с целью реализации монокристальной структуры осуществлялся на установке ВИЛ НК мощностью 450 кВт, емкостью тигля 10 кг в вакууме ~ 10-3 торр с применением затравок заданной ориентации. Выплавляемые образцы после травления подвергались контролю с целью отбраковки монокристаллов от паразитных зерен, а также рентген-контролю с целью определения кристаллической ориентации. На испытания механических характеристик передавались образцы с отклонениями кристаллов от продольной оси не более ±6°.
Результаты испытаний механических характеристик известного сплава ЖС32ВИ и предлагаемого сплава и их удельный вес приведены в таблице 2.
Как видно из таблицы, предлагаемый сплав по уровню прочности при 20°C соответствует серийному сплаву ЖС32ВИ (Энциклопедия «Машиностроение», разд. II, том II-3. М.: Машиностроение, 2001, с. 545) и несколько уступает по этому показателю прототипу. Однако новый сплав превосходит ЖС32ВИ (примерно на 17%) и прототип (приблизительно на 9%) по значению предела текучести. Пластичные характеристики предлагаемого сплава несколько ниже, однако, они вполне достаточны для обеспечения надежной работы конструкций и соответствуют прототипу.
По уровню длительной прочности и удельному весу предлагаемый сплав соответствует серийному материалу ЖС32ВИ. При этом стоимость шихты предлагаемого сплава составляет 7,5 млн. руб./т, в то время как цена шихты сплава ЖС32ВИ, обладающего таким же уровнем работоспособности, равна 17,8 млн. руб./т, то есть выше в 2,4 раза.
Нрγ'
пр
Несмотря на то, что предлагаемый сплав уступает прототипу по уровню длительной прочности, он имеет меньший удельный вес, благодаря чему изготовленные из него лопатки турбин имеют меньшую массу и испытывают меньшие нагрузки, обусловленные центробежными силами. Предлагаемый сплав имеет оптимальную структуру: дисперсные кубические выделения γ'-фазы размером (0,35-0,45) мкм, незначительное количество эвтектической фазы, отличается отсутствием охрупчивающих ТПУ-фаз и α-фаз на основе вольфрама, молибдена, рения и хрома. Его структурная стабильность (определяемая температурами начала T и полного Т растворения γ'-фазы) несколько лучше, чем у сплава ЖС32ВИ. Сравнительные термодинамические параметры предлагаемого сплава и сплава ЖС32ВИ приведены в таблице 3.
Изобретение обеспечивает высокий уровень жаропрочности сплава при одновременно существенном снижении стоимости его шихтовых материалов и дефицитности за счет отсутствия в его составе крайне дорогого и остродефицитного рения.