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

Изобретение относится к металлургии, в частности к литейным коррозионностойким жаропрочным сплавам на основе никеля с хромом, кобальтом, вольфрамом, молибденом, и может быть использовано для изготовления литьем деталей горячего тракта газотурбинных установок (ГТУ), работающих в агрессивных средах природного газа при температурах 600-890°C, например, лопаток с равноосной структурой.
Высокие прочностные характеристики таких сплавов достигаются за счет значительного количества (35-55 ат.%) упрочняющей γ'-фазы (Ni3Al), легированной титаном, вольфрамом и т.д., а также упрочнением твердого раствора (γ-фазы) кобальтом, хромом, молибденом, вольфрамом.
Повышенную коррозионную стойкость обеспечивают содержанием хрома в количестве 13-17 мас.%, при отношении содержания титана к содержанию алюминию ≥0,85, а также введением редкоземельных элементов. Сопротивление окислению при повышенных температурах обеспечивают повышенным содержанием алюминия и тантала, ограничением содержания молибдена, а также введением редкоземельных элементов.
Структурная стабильность на ресурс (исключение образования охрупчивающих фаз) и склонность к выделению в литом состоянии неравновесных эвтектических фаз, на месте которых при термообработке образуются поры и трещины, могут быть оценены по известной методике ФАКОМП.
Характеристики длительной прочности, критические точки сплава и другие его физико-механические свойства также могут быть оценены 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 жаропрочный сплав на основе никеля для изготовления рабочей или сопловой лопатки с равноосной структурой для газовой турбины. Известный сплав содержит углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, титан, бор, тантал, цирконий, гафний, кремний, железо, медь, серу, азот, кислород и никель при следующих соотношениях компонентов, мас.%: углерод 0,04-0,12; хром 11,5-12,5; кобальт 11,5-12,5; вольфрам 3,3-3,7; молибден 1,7-2,1; алюминий 3,35-3,65; титан 4,85-5,15; бор 0,01-0,02; тантал 2,3-2,7; цирконий 0,0-20 ppm; гафний 0,0-0,05; кремний менее 0,05; железо 0,0-0,15; медь 0,0-0,10; сера 0,0-0,0012, азот 0,0-25 ppm; кислород 0,0-10 ppm и никель - остальное.
(RU 2443792, С22С 19/05, опубликовано 27.02.2012)
Регламентирование в известном сплаве содержания элементов, определяющих состояние границ зерен, позволяет достигнуть достаточно высокие характеристики сплава по жаропрочности и коррозионной стойкости. Однако известный сплав имеет недостаточно высокие значения кратковременной и длительной пластичности, а также значительный разброс прочностных характеристик. Кроме того, использование тантала в качестве легирующего элемента заметно удорожает сплав, ограничивая области его применения.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является жаропрочный сплав на основе никеля, который включает углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, титан, бор, церий, ниобий, кальций, цирконий, кремний, марганец, серу, фосфор и никель при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,07-0,15; хром 12,5-14,0; кобальт 4,0-6,0; вольфрам 4,0-6,0; молибден 1,5-2,5; алюминий 2,8-3,2; титан 4,5-5,5; бор 0,01-0,05; церий 0,02-0,05; ниобий 0,05-1,0; кальций 0,005-0,01; цирконий 0,005-0,01; кремний 0,04; марганец 0,4; сера не более 0,015; фосфор не более 0,015; никель - остальное.
(Описание SU 1072497, С22С 19/05, опубликовано 07.07.1993).
Известный сплав используют для отливки рабочих лопаток с равноосной структурой газотурбинных установок (ГТУ) малой мощности 2-16 МВт.
Известный сплав, в котором регламентировано содержание элементов, определяющих состояние границ зерен, также имеет недостаточно высокие значения кратковременной и длительной пластичности. Кроме того, при отливке крупногабаритных лопаток из этого сплава размер зерен может достигать значительных величин (до 5-10 мм) и, более того, иметь столбчатую структуру, что приводит к разбросу механических свойств и снижению минимально гарантированных значений прочности и пластичности металла лопаток. Для устранения образования столбчатой структуры приходится применять объемное модифицирование расплава перед его заливкой в керамическую форму введением в него ультрадисперсных частиц соединений тугоплавких металлов, которые становятся центрами кристаллизации и приводят к измельчению зерна в отливке до оптимальных размеров в пределах 2-4 мм. Однако применение объемного модифицирования без ограничения в шихте содержания элементов, выделяющихся на границах зерен, не может обеспечить стабильно высокий уровень служебных характеристик лопаток, полученных методом равноосного литья.
Задачей и техническим результатом изобретения является повышение пластичности металла лопаток с равноосной структурой, коррозионной стойкости, обеспечение высокой структурной стабильности на ресурс и повышенных минимально гарантированных и средних значений прочности и пластичности.
Технический результат достигается тем, что жаропрочный сплав на основе никеля для изготовления лопаток газотурбинных установок содержит углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, титан, бор, кальций, кремний, марганец, серу, фосфор, магний, медь, азот, кислород и никель, а также, по меньшей мере, два элемента, выбранных из группы: железо, ванадий и барий, при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,08-0,11; хром 14,6-15,1; кобальт 8,5-8,9; вольфрам 6,5-6,9; молибден 0,3-0,6; алюминий 3,9-4,1; титан 3,6-3,8; бор 0,010-0,013; кальций 0,01-0,20; кремний ≤0,1; марганец 0,15-0,30; сера ≤0,005; фосфор ≤0,005; магний 0,01-0,20; медь ≤0,05; азот 10-20 ppm; кислород 10-15 ppm, по меньшей мере, два элемента, выбранных из группы: железо ≤0,2; ванадий ≤0,10 и барий ≤0,01, никель - остальное.
Сплав изготавливают в виде литой прутковой заготовки, предназначенной для последующего переплава и литья лопаток и других деталей газотурбинных установок.
Ограничение содержания газов: кислорода и азота, содержания серы и фосфора, введение магния и меди в сочетании с наличием, по меньшей мере, двух дополнительных компонентов, выбранных из группы: железо, ванадий и барий, оказывающих значительное влияние на гетерогенное зарождение и измельчение зерен в отливках при кристаллизации, обеспечивает достижение поставленного технического результата.
Изобретение может быть проиллюстрировано примерами, представленными в таблицах 1-2.
В таблице 1 приведены составы сравниваемых сплавов с равноосной структурой, полученных методом равноосного литья. Служебные характеристики сплавов оценивали по известным методикам как при использовании объемного модифицирования путем введения в расплав перед разливкой в форму ультрадисперсных частиц карбонитрида титана, так и без него. Оценка была сделана для рабочих лопаток, полученных известными способами и устройствами для литья турбинных лопаток из жаропрочных сплавов с равноосной структурой.
За счет повышения чистоты шихтовой заготовки сплава по изобретению от негативно влияющих элементов и газов, особенно при выбранных концентрациях кальция, магния, марганца, дополнительно очищающих границы зерен, и при наличии, по меньшей мере, двух из группы элементов (железа, ванадия, бария), без применения объемного модифицирования удалось повысить пластичность металла лопаток в 1,3-1.4 раза. При проведении процесса объемного модифицирования сплав по изобретению демонстрирует отсутствие разнозернистости и имеет более мелкое зерно, что, в сочетании с повышенной чистотой шихты, обеспечивает повышение пластичности металла лопатки в 1,5-1,7 раза. При этом морфология карбидной фазы изменяется от формы «китайский шрифт» и глыбообразных выделений до компактной округлой формы, равномерно расположенных по границам зерен и в междудендритных пространствах.
dy крит
v
Сплав по изобретению обладает повышенной стабильностью на ресурс (показатели M≤0,928 и N≤2,37 меньше критических значений), не прогнозируется выпадение охрупчивающей σ-фазы. При примерно одинаковых значениях жаропрочности в области рабочих температур 750-850°C сплав по изобретению имеет повышенную пластичность, на ≈10% более высокую коррозионную стойкость и минимальный разброс механических свойств, по сравнению с наиболее близким аналогом.
Таблица 1
Химический состав сплавов для литья лопаток
Содержание компонентов, мас.%
Известный сплав
Сплав по изобретению
Вариант 1
Вариант 2
Вариант 3
углерод
0,07-0,15
0,08-0,11
0,08-0,11
0,08-0,11
хром
12,5-14,0
14,6-15,1
14,6-15,1
14,6-15,1
кобальт
4,0-6,0
8,5-8,9
8,5-8,9
8,5-8,9
вольфрам
4,0-6,0
6,5-6,9
6,5-6,9
6,5-6,9
молибден
1,5-2,5
0,3-0,6
0,3-0,6
0,3-0,6
алюминий
2,8-3,2
3,9-4,1
3,9-4,1
3,9-4,1
титан
4,5-5,5
3,6-3,8
3,6-3,8
3,6-3,8
бор
0,01-0,05
0,010-0,013
0,010-0,013
0,010-0,013
церий
0,02-0,05
-
-
-
ниобий
0,05-1,0
-
-
-
кальций
0,005-0,01
0,01-0,02
0,01-0,02
0,01-0,02
цирконий
0,005-0,01
-
-
-
кремний
0,4
≤0,1
≤0,1
≤0,1
марганец
0,4
0,15-0,30
0,15-0,30
0,15-0,30
сера
≤0,01
≤0,005
≤0,005
≤0,005
фосфор
≤0,015
≤0,005
≤0,005
≤0,005
магний
-
0,01-0,20
0,01-0,20
0,01-0,20
медь
-
≤0,05
≤0,05
≤0,05
азот
-
10-20 ppm
10-20 ppm
10-20 ppm
кислород
-
10-15 ppm
10-15 ppm
10-15 ppm
железо
-
≤0,20
0,12
-
ванадии
-
-
≤0,10
≤0,10
барий
-
≤0,01
-
≤0,01
никель
остальное
остальное
остальное
остальное
Таблица 2
Жаропрочные сплавы с равноосной структурой лопаток
Характеристики сплава
Известный сплав
Сплав по изобретению
Вариант 1
Вариант 2
Вариант 3
1. Упрочняющая γ'-фаза
49,2
47,8
47,8
47,6
1.1. Объем γ'-фазы, ат.%
1.2. Суммарное содержание титана и алюминия, мас.%
8,0
7,85
7,85
7,85
1.3. Сольвус Тγ', °C осредненный
1231
1194
1197
1192
1.4. Степень залегированности γ'-фазы
1,059
0,947
0,947
0,952
1.5. Mismach при 850°C
-0,003
-0,004
-0,003
-0,003
1.6. Количество неравновесной эвтектической γ'-фазы, межось-литой, %
1-2
1-2
1-2
1-2
2. Энергия дефектов упаковки в γ-фазе
2,233
1,906
1,906
1,904
3. Плотность, т/м<sup>3</sup>
8,22
8,18
8,18
8,18
4. Структурная стабильность ФАКОМП,
0,920
0 920
0 920
0 920
4.1. M<sub>dy крит</sub>≤0,928 осредненный с ТО
4.2. литой без ТО: межось
0,899
0,918
0,918
0,918
5. Длительная прочность
1) <maths num="1"><math display="block"><mrow><mi>σ</mi><msubsup><mtext> </mtext><mrow><msup><mrow><mtext>10</mtext></mrow><mtext>3</mtext></msup></mrow><mrow><mtext>760</mtext><mo>°</mo><mtext>C</mtext></mrow></msubsup></mrow></math><img file="00000001.tif" he="8" wi="13" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
480
501
499
502
2) <maths num="2"><math display="block"><mrow><mi>σ</mi><msubsup><mtext> </mtext><mrow><msup><mrow><mtext>10</mtext></mrow><mtext>3</mtext></msup></mrow><mrow><mtext>850</mtext><mo>°</mo><mtext>C</mtext></mrow></msubsup></mrow></math><img file="00000002.tif" he="8" wi="13" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
268
260
262
263
3) <maths num="3"><math display="block"><mrow><mi>σ</mi><msubsup><mtext> </mtext><mrow><msup><mrow><mtext>10</mtext></mrow><mtext>3</mtext></msup></mrow><mrow><mtext>900</mtext><mo>°</mo><mtext>C</mtext></mrow></msubsup></mrow></math><img file="00000003.tif" he="8" wi="13" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
183
176
177
175
4) <maths num="4"><math display="block"><mrow><mi>σ</mi><msubsup><mtext> </mtext><mrow><msup><mrow><mtext>10</mtext></mrow><mtext>2</mtext></msup></mrow><mrow><mtext>982</mtext><mo>°</mo><mtext>C</mtext></mrow></msubsup></mrow></math><img file="00000004.tif" he="8" wi="13" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
142
140
136
138
6. Сравнительная коррозионная стойкостьlg Metall loss (JN792=-0,26)lg corros Rate (JN792-0,1)
-1,133
-1.246
-1,245
-1,248
0,201
0,147
0,150
0,148
7. Цена шихты (условная), $/т
10780
11210
11213
11208