Жаропрочный сплав на основе никеля

Жаропрочный сплав на основе никеля

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии, в частности к металлургии жаропрочных сплавов на основе никеля, предназначенных для тяжелонагруженных деталей, работающих при повышенных температурах в газотурбинных двигателях.

Известен жаропрочный никелевый сплав, предназначенный для деталей газовых турбин, состава (в масс.%):

Углерод - 0,03-0,08

Хром - 13,0-16,0

Кобальт - 8,0-11,0

Молибден - 4,0-6,0

Ниобий - 2,4-3,5

Титан - 2,4-3,0

Алюминий - 2,2-2,8

Бор - ≤0,01

Церий - ≤0,01

Лантан - ≤0,01

(а.с. СССР №274924, С 22 С 19/00, 1970 год)

Недостатком этого сплава для дисков газовых турбин является общий низкий уровень его механических характеристик, который не удовлетворяет современным требованиям, предъявляемым к жаропрочным сплавам нового поколения.

Известен жаропрочный сплав на основе никеля, состава (в масс.%):

Углерод - 0,03-0,10

Хром - 9,0-11,0

Кобальт - 14,0-16,0

Вольфрам - 3,8-5,5

Молибден - 3,1-4,1

Титан - 3,2-4,0

Алюминий - 3,5-4,2

Ниобий - 1,6-2,1

Гафний - 0,2-0,8

Бор - 0,005-0,05

Цирконий - 0,005-0,05

Магний - 0,001-0,05

Никель - остальное

При отношении содержания вольфрама к содержанию молибдена 1,0-1,6 (патент РФ 2009244, С 22 С 19/05, 1992 г.) - прототип.

Недостатком этого сплава является низкая длительная прочность при рабочей температуре 650°С и низкие характеристики надежности, такие как сопротивление малоцикловой усталости (МЦУ) и трещиностойкость (К_i100).

Предлагается сплав на основе никеля, содержащий компоненты в следующем соотношении (в масс.%)

Углерод - 0,02-0,10

Хром - 9,0-11,0

Кобальт - 14,0-16,0

Вольфрам - более 5,5-6,5

Молибден - 3,0-3,8

Титан - 4,0-4,2

Алюминий - 3,4-4,2

Ниобий - 1,5-2,2

Гафний - 0,1-0,2

Бор - 0,005-0,05

Цирконий - 0,001 - не более 0,005

Магний - 0,001-0,05

Никель - остальное

Предлагаемый сплав отличается от прототипа следующим соотношением компонентов (в масс.%)

Углерод - 0,02-0,10

Хром - 9,0-11,0

Кобальт - 14,0-16,0

Вольфрам - более 5,5-6,5

Молибден - 3,0-3,8

Титан - 4,0-4,2

Алюминий - 3,4-4,2

Ниобий - 1,5-2,2

Гафний - 0,1-0,2

Бор - 0,005-0,05

Цирконий - 0,001 - не более 0,005

Магний - 0,001-0,05

Никель - остальное

Технический результат - повышение длительной прочности, сопротивления малоцикловой усталости, трещиностойкости и, как следствие, повышение срока службы изделий из предлагаемого сплава.

Это достигается за счет неожиданного эффекта, когда повышение прочности матрицы сплава в широком интервале температур сопровождается повышением характеристик пластичности, что приводит к повышению надежности сплава.

Появление такого эффекта вызвано одновременным упрочнением тела и границ зерен, равномерным распределением стабильных карбидов в объеме сплава и формированием однородного зерна с извилистыми границами.

Пример

Методом металлургии гранул были изготовлены и опробованы сплавы предлагаемого состава (№1, 2, 3) и состава - прототипа.

Составы сплавов приведены в таблице 1.

Таблица 1
	Состав 1	Состав 2	Состав З	Состав-прототип
Углерод	0,02	0,06	0,10	0,07
Хром	9,0	10,0	11,0	9,8
Кобальт	14,0	15,0	16,0	14,8
Вольфрам	5,6	5,9	6,5	4,6
Молибден	3,0	3,4	3,8	3,9
Титан	4,0	4,1	4,2	3,7
Алюминий	3,4	3,8	4,2	4,0
Ниобий	1,5	1,9	2,2	1,8
Гафний	0,10	0,15	0,20	0,6
Бор	0,005	0,02	0,05	0,025
Цирконий	0,001	0,002	0,004	0,025
Магний	0,001	0,025	0,05	0,04
Никель	остальное	остальное	остальное	остальное

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 2.

Таблица 2
	20°С	650°С
Предел прочности σB	Предел текучести σ0,2	Относительн. Удлинение δ	Длител. Прочность σ100	Малоцикл. Усталость σN=104	Трещино-стойкостьKi100
МПа	%	МПа	МПа·м1/2
Состав 1	1530	1176	14	1078	1100	59,2
Состав 2	1553	1181	14	1097	1117	60,0
Состав 2	1567	1204	15	1097	1078	59,8
Прототип	1490	1130	10	980	980	49,3

Из таблицы 2 видно, что сплав предлагаемого состава превосходит прототип по пределу прочности более чем на 40 МПа, а по пределу текучести более чем на 50 МПа при более высоком уровне пластичности.

Кроме того, предлагаемый сплав при рабочей температуре 650° имеет более высокий уровень длительной прочности и сопротивления малоцикловой усталости, выше на 100 МПа, при значительно более высокой трещиностойкости (к_i100 выше на 10 МПа·м^1/2).

Таким образом, применение предлагаемого сплава для изготовления дисков газотурбинных двигателей нового поколения позволит повысить ресурс работы двигателя в 1,5-2 раза.

Жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, алюминий, ниобий, гафний, бор, цирконий и магний, отличающийся тем, что он содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:

Углерод 0,02-0,10

Хром 9,0-11,0

Кобальт 14,0-16,0

Вольфрам Более 5,5-6,5

Молибден 3,0-3,8

Титан 4,0-4,2

Алюминий 3,4-4,2

Ниобий 1,5-2,2

Гафний 0,1-0,2

Бор 0,005-0,05

Цирконий 0,001 Не более 0,005

Магний 0,001-0,05

Никель Остальное