ЖАРОПРОЧНЫЙ ПОРОШКОВЫЙ НИКЕЛЕВЫЙ СПЛАВ
HEATPROOF POWDERY NICKEL ALLOY

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии, в частности к порошковой металлургии жаропрочных никелевых сплавов, и может быть использовано в газотурбинных двигателях для изготовления тяжелонагруженных деталей, работающих при повышенных температурах.
Известен жаропрочный порошковый никелевый сплав, предназначенный для деталей газовых турбин, мас.%:
Углерод
0,02-0,10
Хром
8,0-10,0
Вольфрам
5,2-5,9
Молибден
3,6-4,3
Титан
1,5-3,4
Алюминий
4,3-5,3
Ниобий
1,0-2,0
Гафний
0,1-0,4
Бор
0,001-0,05
Цирконий
0,001-0,05
Магний
0,001-0,08
Церий
0,001-0,06
Никель
остальное
(Патент РФ 2131943, С22С 19/05, 1999 год).
Недостатком этого сплава являются низкие характеристики прочности, жаропрочности и чувствительность сплава к концентраторам напряжений при рабочих температурах, что существенно снижает ресурс работы изделия и его надежность.
Известен жаропрочный порошковый сплав на основе никеля, мас.%:
Углерод
0,02-0,08
Хром
8,0-11,0
Кобальт
14,0-18,0
Вольфрам
4,5-5,9
Молибден
3,0-5,5
Титан
1,5-3,0
Алюминий
4,5-6,0
Ниобий
2,0-3,5
Гафний
0,2-1,5
Бор
0,01-0,035
Цирконий
0,01-0,1
Магний
0,005-0,1
Церий
0,01-0,06
Никель
остальное
(патент РФ 2160789, С22С 19/05, 2000 год) - прототип.
В
0,2
N
100
4
Недостатком этого сплава являются низкая прочность (σ, σ), что увеличивает удельный вес изделия, низкая жаропрочность (σ), что уменьшает ресурс работы, а также низкое сопротивление МЦУ (σ=10) и высокая скорость распространения усталостной трещины (СРТУ) при рабочих температурах, что уменьшает эксплуатационную надежность.
Предлагается жаропрочный порошковый никелевый сплав, содержащий компоненты в следующем соотношении, мас.%:
Углерод
0,07-0,12
Хром
10,0-12,0
Кобальт
13,0-15,0
Вольфрам
4,6-5,6
Молибден
2,7-3,5
Титан
2,5-3,5
Алюминий
3,7-4,4
Ниобий
3,1-3,8
Гафний
0,05-0,2
Бор
0,005-0,05
Цирконий
0,001-0,05
Магний
0,001-0,05
Церий
0,001-0,05
Железо
0,01-1,0
Марганец
0,001-0,5
Кремний
0,001-0,5
Никель
остальное
Предлагаемый сплав отличается от прототипа тем, что он дополнительно содержит железо, марганец и кремний при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
0,07-0,12
Хром
10,0-12,0
Кобальт
13,0-15,0
Вольфрам
4,6-5,6
Молибден
2,7-3,5
Титан
2,5-3,5
Алюминий
3,7-4,4
Ниобий
3,1-3,8
Гафний
0,05-0,2
Бор
0,005-0,05
Цирконий
0,001-6,05
Магний
0,001-0,05
Церий
0,001-0,05
Железо
0,01-1,0
Марганец
0,001-0,5
Кремний
0,001-0,5
Никель
остальное
Технический результат - повышение характеристик прочности, жаропрочности и сопротивления МЦУ при снижении скорости распространения усталостной трещины при рабочих температурах и, как следствие, увеличение ресурса и надежности двигателя и уменьшение его удельного веса по отношению к общему весу самолета.
Это достигается тем, что предлагаемый состав порошкового сплава обеспечивает в процессе распыления получение дисперсного порошка стойкой микроструктурой без внутренних пор и, в результате, позволяет прессовать из него плотные заготовки с однородной мелкозернистой структурой, что в свою очередь повышает прочность, жаропрочность и сопротивление МЦУ и снижает скорость распространения усталостной трещины. Все это приводит к увеличению ресурса и надежности двигателя и уменьшению его удельного веса.
Пример
Методом порошковой металлургии был изготовлен и опробован сплав предлагаемого состава, мас.%:
Углерод
0,10
Хром
11,0
Кобальт
14,0
Вольфрам
5,0
Молибден
3,0
Титан
2,8
Алюминий
4,0
Ниобий
3,4
Гафний
0,1
Бор
0,015
Цирконий
0,01
Магний
0,02
Церий
0,01
Железо
0,5
Марганец
0,3
Кремний
0,2
Никель
остальное
Также был получен сплав по составу-прототипу.
Механические свойства при 20°С и при рабочей температуре 650°С предлагаемого сплава и сплава-прототипа определены по стандартным методикам испытания и представлены в таблице 1.
Таблица 1
Механические свойства
при 20°С
при 650°С
Предел прочности σ<sub>В</sub>
Предел текучести σ<sub>0,2</sub>
Относитель-ное удлинение δ
Относительное сужение ψ
Жаропрочность (длительная прочность) σ<sup>100</sup>
МЦУ σ<sub>N</sub>=10<sup>4</sup>
СРТУ ΔК=44 МПа·м<sup>0,5</sup>
МПа
%
МПа
мм/цикл
предлага-емый
1640
1210
16,0
16,9
1150
1160
2,2·10<sup>-4</sup>
прототип
1510
1030
15,5
16,8
1000
1000
5,2·10<sup>-4</sup>
Таким образом, сплав предлагаемого состава превосходит прототип по характеристикам прочности: на 8-10% по пределу прочности и на 16-20% по пределу текучести; а также на 13-17% - по жаропрочности при рабочей температуре 650°С. При этом сплав предлагаемого состава обладает более высокими характеристиками надежности, такими как сопротивление МЦУ (выше на 15-20%) и скорость распространения усталостной трещины (в 2-3 раза меньше), чем прототип.
В результате этого применение предлагаемого сплава для изготовления валов, дисков и других деталей газотурбинных двигателей позволит, за счет высокой прочности, снизить удельный вес двигателя на 10-15%, за счет высокой жаропрочности, повысить ресурс работы 1,2-1,4 раза. А также, за счет высокого сопротивления МЦУ и низкой скорости распространения усталостной трещины, увеличить эксплуатационную надежность на 10-12%.