ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ ДЛЯ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ЛИТЬЯ
HEAT-RESISTANT ALLOY ON NICKEL BASIS FOR MONOCRYSTALLINE CASTING

Изобретение относится к металлургии сплавов, в частности к производству никелевых жаропрочных сплавов и изготовлению из них деталей с монокристаллической структурой, например лопаток газовых турбин.
Известен жаропрочный никелевый сплав следующего химического состава, мас.%:
Хром
6,5-10,5
Кобальт
6,0-10,0
Молибден
2,7-4,0
Алюминий
4,8-5,7
Титан
4,2-4,7
Углерод
0,06-0,20
Бор
0,005-0,015
Цирконий
0,01-0,02
Вольфрам
1,0-1,8
Ниобий
0,5-1,0
Церий
0,002-0,015
Один элемент из группы,
включающей иттрий скандий
0,0015-0,015
Ванадий
0,1-1,0
Кальций
0,001-0,015
Лантан
0,002-0,02
Никель
остальное
(патент РФ №2153020).
40
100
1000
975
-1
3
3
1000
1000
Известный сплав и изделия из этого сплава предпочтительного химического состава с направленной структурой обладают при температуре 975°С удельной длительной прочностью (σ /d), равной 240 МПа·(г·см). Плотность известного сплава 7,8 г/см. При рабочей температуре 1000°С и долговечности 100 и 1000 ч известный сплав предпочтительного химического состава и изделия из этого сплава с монокристаллической структурой имеют длительную прочность соответственно σ =175 МПа, σ =115 МПа, что не удовлетворяет современным требованиям, предъявляемым к жаропрочным сплавам с низкой плотностью для литья лопаток газовых турбин нового поколения.
Известен жаропрочный сплав на основе никеля следующего химического состава, мас.%:
Хром
2,0-6,0
Кобальт
0-15,0
Молибден
6,0-12,0
Алюминий
5,5-6,5
Титан
0-2,0
Углерод
0,01-0,04
Бор
0,001-0,005
Вольфрам
0-1,5
Ниобий
0-3,0
Иттрий
0-0,02
Тантал
3,0-7,0
Рений
1,0-4,0
Рутений
0-1,5
Гафний
0-0,2
Никель
остальное
(патент США №7261783).
3
Известный сплав и изделия из этого сплава с монокристаллической структурой обладают достаточно высокими характеристиками длительной прочности, например, при рабочей температуре 1000°С время до разрушения сплава предпочтительного состава при испытании на длительную прочность при напряжении 241 МПа составляет ~100 ч, плотность этого сплава равна 8,64 г/см.
γ
γ
A1
Cr
Mo
W
Ta
Co
Ti
Re
Hf
Ni
Al
Cr
Ni
Дополнительные исследования известного сплава показали, что значение (Md)-параметра ((Md)=1,9C+1,142C+1,55C+1,655C+2,224C+0,777C+2,271C+1,267C+3,02C+0,777C, где C, C…C- атомные концентрации компонентов в γ-фазе сплава), рассчитанное по химическому составу γ-твердого раствора этого сплава, составляет 0,931, что больше критического значения этого параметра фазовой стабильности. Следовательно, при длительном высокотемпературном воздействии известный сплав склонен к выделению интерметаллидных ТПУ фаз, их объемная доля в структуре сплава может достигать более 1%.
Отрицательное влияние ТПУ фаз на механические свойства жаропрочного сплава и монокристаллических изделий из него проявляется в том, что эти фазы связывают значительные количества тугоплавких легирующих элементов (молибден, рений, вольфрам, хром, тантал) и их концентрации в матричном γ-твердом растворе и упрочняющей γ'-фазе понижаются. В результате изменяются в худшую сторону основные факторы жаропрочности дисперсионно упрочненных никелевых сплавов, такие как параметр несоответствия периодов кристаллических решеток γ- и γ'-фаз (мисфит), объемная доля γ'-фазы, температура полного растворения γ'-фазы и др. Тем самым долговременные высокотемпературные механические свойства известного жаропрочного сплава и монокристаллических изделий из этого сплава уменьшаются. Кроме того, высокая концентрация молибдена в известном сплаве обуславливает пониженное сопротивление высокотемпературному окислению и коррозии.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является никелевый жаропрочный сплав для монокристаллического литья следующего химического состава, мас.%:
Хром
5,8-6,4
Кобальт
7,2-7,8
Молибден
1,7-2,3
Алюминий
6,2-6,8
Титан
0,9-1,1
Вольфрам
3,0-3,7
Тантал
2,0-2,6
Рений
2,3-2,6
Гафний
0,05-0,15
Никель
остальное
(патент США №6936116).
Известный монокристаллический сплав имеет высокую фазовую стабильность, хорошие литейные свойства и значительный температурный интервал термической обработки. Однако дополнительные исследования показали, что сплав-прототип обладает недостаточно высокой долговременной длительной прочностью при рабочих температурах.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание жаропрочного сплава на никелевой основе для монокристаллического литья с низкой плотностью и повышенными характеристиками жаропрочности и фазовой стабильности.
Для достижения поставленной технической задачи предложен жаропрочный сплав на никелевой основе для монокристаллического литья, содержащий хром, кобальт, молибден, алюминий, титан, вольфрам, тантал, рений, в который дополнительно введены лантан, церий, бор и углерод, при следующем соотношении компонентов, масс.%:
Хром
5,0-6,0
Кобальт
6,0-8,5
Молибден
3,5-4,5
Алюминий
6,0-6,5
Титан
0,8-1,6
Вольфрам
1,5-3,1
Тантал
3,0-4,0
Рений
2,0-3,0
Лантан
0,004-0,05
Церий
0,004-0,02
Бор
0,004-0,01
Углерод
0,002-0,05
Никель
остальное.
Повышение жаропрочности предложенного сплава достигается за счет действия редкоземельных элементов лантана и церия на примеси серы, кислорода и азота, неизбежно присутствующие в жаропрочных никелевых сплавах, и сбалансированности соотношения между суммарным содержанием γ-стабилизирующих и γ'-образующих легирующих элементов.
Исследованиями методом микрорентгеноспектрального анализа было обнаружено физическое явление, состоящее в том, что при термической обработке монокристаллов заявляемого сплава с указанным соотношением компонентов атомы редкоземельных элементов La и Се, введенных в сплав и присутствующих в сплаве примесей S, О, N, адсорбируются на неизбежно имеющихся микропорах и образуют в них высокодисперсные тугоплавкие сульфиды, оксиды и нитриды. В результате содержание вредных примесей серы, кислорода и азота в твердом объеме монокристаллов сплава понижается и, как следствие, наблюдается повышение высокотемпературных характеристик длительной прочности. Кроме того, легирование лантаном, церием и повышение содержания тантала усиливает сопротивление монокристаллических никелевых жаропрочных сплавов высокотемпературному окислению и коррозии.
Введение бора и углерода в никелевый жаропрочный сплав при указанном соотношении компонентов используется для стабилизации при кристаллизации дендритно-ячеистой структуры монокристаллического изделия и упрочнения субграниц, неизбежно присутствующих в монокристаллических изделиях из никелевых жаропрочных сплавов. В результате повышается структурное совершенство монокристаллов сплава, способствуя увеличению сопротивления длительной высокотемпературной ползучести.
Молибден, имея низкий коэффициент распределения (0,2-0,4) между γ'- и γ-фазами никелевых жаропрочных сплавов, в основном растворяется в γ-твердом растворе. Поэтому повышение содержания молибдена в предлагаемом сплаве при заявленном соотношении компонентов увеличивает параметр размерного несоответствия периодов кристаллических решеток γ- и γ'-фаз (мисфит). В результате повышается длительная прочность жаропрочного никелевого сплава.
Кроме того, повышение содержания γ-стабилизирующего элемента молибдена и исключение из сплава гафния при заявленном соотношении остальных легирующих элементов способствует понижению объемной доли неравновесной γ-γ' эвтектической составляющей в литой монокристаллической структуре сплава, тем самым снижает объемную долю микропор при последующим высокотемпературном гомогенизирующем отжиге и, следовательно, повышает сопротивление циклическим нагрузкам.
3
Понижение содержания вольфрама в предлагаемом сплаве обеспечивает достижение низкой плотности сплава - 8,3-8,4 г/см.
Пример осуществления
В вакуумной индукционной печи были выплавлены четыре сплава предлагаемого состава и один сплав предпочтительного состава, взятого за прототип. Содержание компонентов (мас.%) в композициях сплавов приведено в таблице 1. Затем эти сплавы переплавляли в вакуумной печи для направленной кристаллизации и получали цилиндрические слитки диаметром 16 мм и длиной 190 мм с монокристаллической структурой и осевой ориентацией, близкой к кристаллографическому направлению [001]. Далее из этих слитков изготавливали образцы для дифференциального термического анализа, по результатам которого определяли температуры полного растворения упрочняющей γ'-фазы в γ-матрице и начального плавления. С учетом этих температур отливки подвергали термической обработке, включающей гомогенизирующий отжиг и двухступенчатое старение, и изготавливали из них образцы для механических испытаний, рентгеноструктурного анализа и количественной металлографии, по результатам которых определяли длительную прочность, параметр размерного несоответствия периодов кристаллических решеток γ- и γ'-фаз (мисфит) и объемные доли выделений неравновесной эвтектики γ-γ' и микропор гомогенизации. Испытания на длительную прочность проводили на воздухе при температуре 1000°С и напряжениях 200 и 140 МПа.
Определение параметра размерного несоответствия периодов кристаллических решеток γ- и γ'-фаз (мисфит) и объемные доли выделений неравновесной эвтектики γ-γ' и микропор гомогенизации проводили при комнатной температуре.
Полученные характеристики композиций сплава-прототипа и заявляемого сплава приведены в таблице 2.
γ
3
Как видно из таблицы 2, предлагаемый сплав имеет меньшую долю неравновесной эвтектики γ-γ' и микропор гомогенизации, более высокое значение размерного несоответствия периодов кристаллических решеток γ- и γ'-фаз (мисфит), чем сплав, взятый за прототип. Кроме того, значения параметров (Md), ΔЕ, характеризующих фазовую стабильность предлагаемого сплава, меньше критических, что свидетельствует об отсутствии склонности его к образовании вредных ТПУ фаз. Характеристики длительной прочности - долговечность (время до разрушения) предлагаемого сплава при температуре 1000°С в 1,4 раза больше, чем сплава, взятого за прототип. Плотность сплава составляет 8,33-8,40 г/см.
Таким образом, предлагаемый жаропрочный сплав на никелевой основе для монокристаллического литья с низкой плотностью значительно превосходит сплав-прототип по характеристикам длительной прочности, что позволяет его рекомендовать для производства монокристаллических турбинных лопаток длительного ресурса.
Таблица 1
№ п/п
Cr
Co
Mo
Al
Ti
W
Та
Re
Hf
La
Се
В
С
Ni
1
Сплав-прототип
6,1
7,5
2,0
6,5
1,0
3,35
2,3
2,45
0,1
-
-
-
ост.
2
Заявляемый сплав
5,0
6,0
3,5
6,5
0,8
1,5
3,0
3,0
-
0,004
0,02
0,01
0,05
ост.
3
5,5
7,25
3,5
6,25
1,2
2,3
4,0
2,0
-
0,05
0,004
0,004
0,002
ост.
4
6,0
8,5
4,0
6,0
0,8
3,1
3,5
2,0
-
0,05
0,004
0,004
0,002
ост.
5
5,5
7,25
4,5
6,0
1,6
2,3
3,0
2,5
-
0,027
0,012
0,007
0,026
ост.
Таблица 2
№п/п
Плотность, г/см<sup>3</sup>
V<sub>эвт.</sub>, %
V<sub>п.гом</sub>, %
Δα, %
Параметры фазовой стабильности
Время до разрушения при испытании на длительную прочность, ч
(Md)<sub>γ </sub>γ-матрицы
ΔЕ сплава
1000°С, σ=200 МПа
1000°С, σ=140 МПа
1
Сплав-прототип
8,31
3,4
0,15
0,16
0,908
0,120
96
708
2
Заявляемый
8,29
1,9
0,06
0,30
0,915
0,159
137
986
3
сплав
8,35
1,5
0,05
0,23
0,909
0,094
183
1052
4
8,41
1,2
0,05
0,30
0,914
0,086
170
1069
5
8,37
1,2
0,04
0,25
0,909
0,081
145
1013
V<sub>эвт.</sub> - объемная доля неравновесной эвтектики γ-γ';V<sub>п.гом</sub> - объемная доля микропор гомогенизации;Δα=(α<sub>γ</sub>-α<sub>γ'</sub>)/α<sub>γ</sub> - размерное несоответствие периодов кристаллических решеток γ- и γ'-фаз (мисфит) при комнатной температуре;
<img file="00000001.tif" he="11" wi="73" img-content="undefined" img-format="tif" />,где Z<sub>i</sub> - атомные концентрации i-x элементов в сплаве, А<sub>i</sub> - и E<sub>i</sub> - оответственно атомная масса и концентрация валентных электронов i-го элемента (sp-электроны алюминия и ds-электроны переходных металлов).