ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ ДЛЯ ЛИТЬЯ ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК
HEAT-RESISTANT ALLOY BASED ON NICKEL FOR CASTING OF BLADES OF GAS-TURBINE UNITS

Изобретение относится к металлургии, в частности к составам жаропрочных сплавов на основе никеля для изготовления литьем лопаток с монокристаллической или равноосной структурами, работающих в агрессивных средах горячего тракта газотурбинных установок (ГТУ) при температурах 750-900°С.
Технологический процесс изготовления литьем рабочих лопаток горячего тракта ГТУ включает подготовку навески шихтовых материалов по требованиям химического состава, получение расплава навески, рафинирование и раскисление расплава, слив расплава с получением отвержденной заготовки, ее механообработку для удаления внешних дефектов и продуктов взаимодействия расплава с материалом тигля, контроль (качественный и количественный) химического состава заготовки, оценку расчетными методами служебных характеристик лопаток из полученной заготовки, расплавление шихтовой заготовки и литье рабочих лопаток, в частности лопаток с монокристаллической или равноосной структурой. При этом заготовка является продуктом, который его производитель поставляет потребителю для изготовления лопаток ГТУ.
Отдельные служебные характеристики рабочей лопатки по результатам (качественного и количественного) анализа состава ее заготовки, в том числе структурная стабильность на ресурс (исключение образования охрупчивающих фаз), склонность к выделению в литом состоянии неравновесных эвтектических фаз, на месте которых при термообработке литых лопаток образуются поры и трещины, характеристики длительной прочности, критические точки металла лопатки и другие физико-механические свойства лопатки могут быть оценены по известной методике ФАКОМП и другим по известным методикам.
(H. Harada и др. Сб. Superalloys, 1988; p.p. 733-742; H. Harada и др.. Сб. Superalloys, 2000; p.p. 729-736; H. Harada, Сб. Alloys Design for Nickel-base Superalloys, 1982, p.p. 721-735)
Известен состав жаропрочного сплава на основе никеля для литья изделий, преимущественно лопаток газотурбинных двигателей. Сплав содержит углерод, никель, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, титан, магний или кальций, редкоземельные металлы церий и иттрий, серу, азот и кислород.
(RU 2392338, С22С 1/02, опубликовано 20.06.2010, пример 2)
Известен жаропрочный сплав на основе никеля для литья лопаток газотурбинных двигателей, содержащий углерод, никель, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, рений, тантал, церий, иттрий, лантан, серу, азот, кислород.
(RU 2190680, С22С 1/02, С21С 5/52, С22В 7/00, опубликовано 10.10.2002, пример 1)
Наиболее близким по технической сущности является полученный вакуумной выплавкой жаропрочный сплав на основе никеля для литья лопаток с направленной и монокристаллической структурой, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, алюминий, ниобий, бор, тантал, гафний и иттрий при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,005-0,12; хром 13,5-14,5; кобальт 8,0-12,0; вольфрам 3,0-5,0; молибден 1,5-2,5; алюминий 3,5-4,8; титан 3,4-4,3; ниобий 0,4-1,4; тантал 0,2 -1,0; гафний 0,1-0,4; бор 0,001-0,02; иттрий 0,005-0,05; никель остальное.
(RU 2131944, С22С 19/05, опубликовано 20.06.1999)
Однако при изготовлении литьем лопаток с монокристаллической структурой с использованием сплава известного состава даже незначительное отклонение от условий направленного теплоотвода отверждения расплава, например в областях перехода от пера профиля лопатки к полке, приводит к образованию паразитных зерен, нарушающих структурную однородность изделия. Кроме того, лопатки из шихтовой заготовки известного состава при высоких показателях жаропрочности имеют пониженную коррозионную стойкость и структурную стабильность. В процессе наработки в металле лопатки прогнозируется выпадение до 9% охрупчивающей σ-фазы и количество неравновесной эвтектической фазы до 10%, что чревато повышенной пористостью.
Задачей изобретения и его техническим результатом изобретения является обеспечение повышенной длительной прочности металла лопаток, полученных литьем с использованием предлагаемого сплава, в сочетании с высоким сопротивлением окислению и коррозионным воздействиям, а также повышение структурной стабильности на ресурс и уменьшение склонности к образованию посторонних паразитных зерен, нарушающих монокристаллическую структуру металла.
Технический результат достигается тем, что сплав на основе никеля для литья рабочих лопаток газотурбинных установок содержит углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, титан, ниобий, бор, тантал, гафний, цирконий, кальций, марганец, медь, серу, фосфор, азот, кислород и никель, а также, по меньшей мере, два элемента, выбранные из группы: кремний, магний и железо, при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,02-0,13; хром 15,6-16,2; кобальт 8,2-8,8; вольфрам 2,4-2,8; молибден 1,5-2,0; алюминий 3,3-3,7; титан 3,3-3,7; ниобий 0,6-1,1; бор 0,005-0,015; тантал 1,5-2,0; гафний 0,00-0,2; цирконий 0,03-0,08; кальций 0,00-0,02; марганец ≤0,02; медь 0,00-0,05; сера ≤0,005; фосфор ≤0,005; азот 10-20 ppm; кислород 10-15 ppm, по меньшей мере, два элемента, выбранных из группы: кремний ≤0,25; магний 0,00-0,02; железо ≤0,2; никель остальное.
Ограничение содержания кислорода, азота, меди, серы и фосфора, введение кальция и марганца в сочетании с наличием, по меньшей мере, двух дополнительных компонентов, выбранных из группы: кремний, магний и железо, повышает пластичность металла лопатки, его структурную однородность и коррозионную стойкость границ зерен.
Введение циркония совместно с присутствием в составе тантала, ниобия и гафния обеспечивает стабилизацию карбидов, достаточную пластичность литого металла на длительный ресурс и подавляет образование цепочек посторонних паразитных зерен в монокристаллической структуре металла лопатки. Минимальные концентрации гафния, кальция, меди и магния 0,00 мас.% не означают отсутствие указанных компонентов в сплаве, а невозможность их четкой идентификации с использованием принятых методов анализа (менее предела чувствительности метода определения концентрации компонента 0,00005 мас.%). При этом заявленные соотношения компонентов в сплаве обеспечивают образование упрочняющей фазы на уровне 44,7-46,2 ат.% и повышенную жаропрочность металла лопаток; исключают появление в процессе наработки охрупчивающих фаз и ограничивают выделение неравновесной эвтектической фазы. Лопатки, выплавленные из сплава по изобретению, имеют пониженный объем усадочной пористости и повышенную устойчивость к образованию трещин.
Достижение технического результата можно проиллюстрировать данными из таблиц 1 и 2. Данные приведены для сплава лопаток с монокристаллической структурой.
Изготовление сплава, предназначенного для литья лопаток и других изделий с монокристаллической структурой, включает подготовку навески шихтовых материалов по требованиям химического состава, получение расплава, рафинирование и раскисление расплава, слив расплава и его отверждение. После этого полученную заготовку механически обрабатывают для удаления внешних дефектов и продуктов взаимодействия расплава с материалом тигля, проводят контроль (качественный и количественный) химического состава и оценивают расчетными методами служебные характеристики лопаток из полученного сплава.
Из представленных данных следует, что все варианты осуществления изобретения превосходят известные варианты по комплексу служебных характеристик, в том числе по коррозионной стойкости на 30-50% и жаропрочности при температурах 800-850°С, а также отличаются повышенной структурной стабильностью на ресурс.
dy
v
dy
v
Более низкие значения показателей M и N лопаток, полученных с использованием сплава согласно изобретению, по сравнению с критическими величинами M≤0,928 и N≤2,36 свидетельствуют о том, что металл лопатки обладает повышенной структурной стабильностью на ресурс и исключено появление охрупчивающих фаз в процессе наработки.
Кроме того, сплав согласно изобретению может быть использован для литья лопаток ГТУ с равноосной структурой. При этом служебные характеристики прочности лопаток будут ниже на 10-15%.