Жаропрочный сплав на основе никеля

Жаропрочный сплав на основе никеля

Реферат

Изобретение относится к металлургии сплавов, в частности к производству жаропрочных сплавов на основе никеля, предназначенных для изготовления методом направленной кристаллизации из них изделий с монокристаллической и направленной структурой, например лопаток газовых турбин, работающих длительно при температурах до 1150°С.

Известен жаропрочный сплав на основе никеля следующего химического состава, мас.%:

Хром	2,0-5,0
Кобальт	0,1-15,0
Алюминий	5,0-7,0
Вольфрам	4,0-8,0
Молибден	2,9-4,5
Тантал	4,0-8,0
Рений	3,0-6,0
Рутений	1,0-4,0
Гафний	0,01-0,5
Никель	остальное

(заявка US №2003/0075247)

Известный сплав обладает недостаточно высокими характеристиками жаростойкости и длительной прочности: при рабочей температуре 1100°С потеря удельной массы сплава за 500 часов статического окисления составляет ~500 г/м², время до разрушения при испытании на длительную прочность при напряжении 137,2 МПа составляет 412,3 часа.

Известен жаропрочный сплав на основе никеля марки TMS-196 следующего химического состава, мас.%:

Хром	4,6
Кобальт	5,6
Алюминий	5,6
Вольфрам	5,0
Молибден	2,4
Тантал	5,6
Рений	6,4
Рутений	5,0
Гафний	0,1
Никель	остальное

(A. Sato, H. Harada, An-C. Yen, at al. «A 5th generation SC superalloy with balanced high temperature properties and rocessability» //Superalloys 2008. R.C. Reed, K.A. Green, p. Caron et al. (Eds). Publ. of the Minerals, Metals & Materials Society. Seven Springs Mountain Resort, Champion (Pennsylvania), 2008, pp.131-138)

Известный сплав имеет низкую жаростойкость: при рабочей температуре 1100°С удельная потеря массы сплава за 20 циклов окисления общей длительностью 100 часов составляет ~90 г/м².

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является жаропрочный сплав на основе никеля.

Жаропрочный сплав на основе никеля имеет следующий химический состав, мас.%:

Хром	2,1-3,3
Кобальт	5,0-7,0
Алюминий	5,7-6,3
Вольфрам	3,2-4,8
Молибден	3,5-5,0
Тантал	4,0-5,0
Рений	5,6-7,0
Рутений	2,0-6,0
Церий	0,001-0,02
Лантан	0,002-0,25
Неодим	0,0005-0,01
Иттрий	0,002-0,02
Углерод	0,002-0,02
Бор	0,0004-0,004
Никель	остальное (патент РФ №2293782)

Дополнительные исследования показали, что сплав-прототип обладает недостаточно высокой жаростойкостью и длительной прочностью.

Технической задачей предлагаемого изобретения является улучшение жаростойкости и повышение длительной прочности жаропрочного сплава на основе никеля при рабочих температурах 900-1150°С.

Для достижения поставленной технической задачи предложен жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий хром, кобальт, алюминий, вольфрам, молибден, тантал, рений, рутений, церий, лантан, неодим, иттрий, углерод, бор, который дополнительно содержит магний и/или кальций, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Хром	2,5-4,5
Кобальт	5,0-6,0
Алюминий	5,4-6,0
Вольфрам	3,5-4,5
Молибден	2,8-3,8
Тантал	5,3-6,3
Рений	5,8-6,8
Рутений	4,6-6,4
Церий	0,001-0,02
Лантан	0,002-0,1
Неодим	0,0005-0,01
Иттрий	0,002-0,02
Углерод	0,002-0,05
Бор	0,0004-0,004
магний и/или
кальций	0,001-0,009
Никель	остальное

В металлургии жаропрочных сплавов на основе никеля с равноосной структурой известна положительная роль микролегирования магнием и/или кальцием, заключающаяся в повышении когезивной прочности границ зерен. Вместе с тем также известно, что в жаропрочные сплавы на основе никеля с монокристаллической и направленной структурой магний и кальций не вводятся, поскольку эти элементы значительно снижают температуру плавления никеля.

Однако было установлено, что введение магния и/или кальция в жаропрочный сплав на основе никеля при заявленном содержании и соотношении компонентов приводит к повышению характеристик жаростойкости и длительной прочности сплава в связи со способностью этих элементов образовывать тугоплавкие сульфиды и оксиды в виде высокодисперсных частиц с неизбежными примесями серы и кислорода.

Образование указанных химических соединений обусловлено тем, что в процессе кристаллизации магний и/или кальций из-за весьма низких коэффициентов распределения (K~0,001) сегрегируют в расплав и накапливаются в локальных объемах перед движущимся фронтом роста дендритных ветвей монокристаллической и направленно закристаллизованной отливки сплава, достигая при этом необходимых концентраций. Из-за рафинирующего эффекта содержание неизбежных вредных примесей серы и кислорода в объеме затвердевшего сплава понижается и, следовательно, снижается их отрицательное воздействие на жаростойкость и длительную прочность сплава, а также повышается способность сплава к формированию при направленной кристаллизации монокристаллической и столбчатой структуры. В результате повышается структурное совершенство сплава, способствуя улучшению жаростойкости и длительной прочности.

Пример осуществления

В вакуумной индукционной печи были выплавлены четыре сплава предлагаемого состава и один сплав 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 отливки диаметром 16 мм и длиной 190 мм. Далее эти отливки подвергали термической обработке и изготавливали из них образцы для испытаний на жаростойкость и длительную прочность.

Полученные результаты испытаний на жаростойкость и длительную прочность сплавов приведены в таблице 2.

Как видно из таблицы 2, предлагаемый сплав имеет более высокую (на 30-40%) жаростойкость, чем сплав, взятый за прототип. Характеристики длительной прочности - долговечность (время до разрушения) предлагаемого сплава при температуре 900°С больше в 1,9 раза, при температуре 1100°С больше в 2,3 раза, при температуре 1150°С больше в 1,5, чем сплава, взятого за прототип.

Таким образом, предлагаемый жаропрочный сплав на основе никеля значительно превосходит сплав-прототип по характеристикам жаростойкости и длительной прочности, что позволяет повысить надежность и ресурс турбинных лопаток в интервале рабочих температур 900-1150°C.

Таблица 2
Пример	Характеристики жаростойкости при Т=1100°С за 20 циклов окисления общей длительностью 100 час	Время до разрушения при испытании на длительную прочность, час
Потеря удельной массы, г/м2	Глубина коррозии, мкм	Т=900°С σ=450 МПа	Т=1100°С σ=130 МПа	Т=1150°С σ=100 МПа
1	Сплав-прототип	35	43	619	831	295
2	Заявляемый сплав	18	29	1220	1754	448
3	20	30	1189	2062	469
4	23	33	1309	1698	431
5	25	32	1205	1975	492

Жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий хром, кобальт, алюминий, вольфрам, молибден, тантал, рений, рутений, церий, лантан, неодим, иттрий, углерод, бор, отличающийся тем, что он дополнительно содержит магний и/или кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

хром	2,5-4,5
кобальт	5,0-6,0
алюминий	5,4-6,0
вольфрам	3,5-4,5
молибден	2,8-3,8
тантал	5,3-6,3
рений	5,8-6,8
рутений	4,6-6,4
церий	0,001-0,02
лантан	0,002-0,1
неодим	0,0005-0,01
иттрий	0,002-0,02
углерод	0,002-0,05
бор	0,0004-0,004
магний
и/или кальций	0,001-0,009
никель	остальное