Жаропрочный порошковый сплав на основе никеля

Жаропрочный порошковый сплав на основе никеля

Реферат

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

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

Углерод	- 0,02-0,10
Хром	- 8,0-10,0
Вольфрам	- 5,2-5,9
Молибден	- 3,6-4,3
Титан	- 1,5-3,4
Алюминий	- 4,3-5,3
Ниобий	- 1,0-2,0
Гафний	- 0,1-0,4
Бор	- 0,001-0,05
Цирконий	- 0,001-0,05
Магний	- 0,001-0,08
Церий	- 0,001-0,06
Никель	- остальное

(Патент РФ 2131943, C22C 19/05, 1999 год).

Недостатками этого сплава являются низкие характеристики прочности, жаропрочности и чувствительность сплава к концентраторам напряжений при рабочих температурах, что существенно снижает ресурс работы изделия.

Известен жаропрочный сплав на основе никеля, состава (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

(патент РФ 2257420, C22C 19/05, 2005 год) - прототип.

Недостатками этого сплава являются низкие характеристики прочности (σ_в ^650°C) и ползучести (σ_0,2/100), и высокая скорость распространения усталостной трещины (СРТУ) при рабочих температурах.

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

Углерод	- 0,06-0,13
Хром	- 8,0-12,0
Кобальт	- 14,0-16,0
Вольфрам	- 5,4-7,0
Молибден	- 2,0-3,5
Титан	- 3,0-4,5
Алюминий	- 3,0-4,5
Ниобий	- 1,5-2,5
Тантал	- 0,5-4,0
Гафний	- 0,05-0,5
Рений	- 0,2-0,7
Бор	- 0,005-0,05
Цирконий	- 0,001-0,05
Магний	- 0,001-0,05
Железо	- 0,01-1,0
Марганец	- 0,001-0,5
Кремний	- 0,001-0,5
Никель	- остальное.

Предлагаемый сплав отличается от прототипа тем, что он дополнительно содержит тантал, рений, марганец, кремний и железо при следующем соотношении компонентов в мас.%:

Углерод	- 0,06-0,13
Хром	- 8,0-12,0
Кобальт	- 14,0-16,0
Вольфрам	- 5,4-7,0
Молибден	- 2,0-3,5
Титан	- 3,0-4,5
Алюминий	- 3,0-4,5
Ниобий	- 1,5-2,5
Тантал	- 0,5-4,0
Гафний	- 0,05-0,5
Рений	- 0,2-0,7
Бор	- 0,005-0,05
Цирконий	- 0,001-0,05
Магний	- 0,001-0,05
Железо	- 0,01-1,0
Марганец	- 0,001-0,5
Кремний	- 0,001-0,5
Никель	- остальное.

Технический результат - повышение характеристик прочности, ползучести и снижение скорости распространения усталостной трещины при рабочих температурах и, как следствие, повышение ресурса работы и надежности изделия из предлагаемого сплава.

Это достигается тем, что предлагаемый состав порошкового сплава обеспечивает одновременное увеличение прочности границ и тела зерна за счет карбидного упрочнения, упрочнения γ-матрицы и γ'-фазы, а также одновременно позволяет исключить образование внутренних пор в процессе распыления порошка и, в результате, получать плотные беспористые заготовки, прессуемые из него.

Пример

Методом порошковой металлургии был изготовлен и опробован сплав предлагаемого состава

Углерод	- 0,09
Хром	- 10,0
Кобальт	- 15,0
Вольфрам	- 6,0
Молибден	- 2,5
Титан	- 3,8
Алюминий	- 3,8
Ниобий	- 1,8
Тантал	- 2,0
Гафний	- 0,2
Рений	- 0,5
Бор	- 0,02
Цирконий	- 0,02
Магний	- 0,03
Железо	- 0,5
Марганец	- 0,3
Кремний	- 0,2
Никель	- остальное.

Также был получен сплав по составу - прототипу.

Механические свойства при рабочей температуре 650°С предлагаемого сплава и сплава-прототипа определены по стандартным методикам испытания и представлены в таблице.

Таблица
650°С
	Предел прочности σВ	Предел текучести σ0,2	Относительное удлинение δ	Относительное сужение ψ	Предел ползучести σ0,2/100	СРТУ ΔК=44 МПа·м0,5
МПа	%	МПа	мм/цикл
предлагаемый	1635	1189	12,6	16,3	998	1,5·10-4
прототип	1420	1088	7,5	7,8	830	8,2·10-4

Из таблицы видно, что сплав предлагаемого состава при рабочей температуре 650°С превосходит прототип по характеристикам прочности: на 13-15% по пределу прочности; на 8-10% по пределу текучести, а также на 18-20% - по пределу ползучести. При этом предлагаемый сплав имеет скорость распространения усталостной трещины в 5-6 раза меньше, чем прототип.

Таким образом, применение предлагаемого сплава для изготовления валов, дисков и др. деталей ГТД позволит повысить ресурс работы двигателя в 1,3-1,5 раза и увеличить его эксплуатационную надежность на 20-25%.

Жаропрочный порошковый сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, алюминий, ниобий, гафний, бор, цирконий и магний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит тантал, рений, железо, марганец и кремний при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,06-0,13
Хром	8,0-12,0
Кобальт	14,0-16,0
Вольфрам	5,4-7,0
Молибден	2,0-3,5
Титан	3,0-4,5
Алюминий	3,0-4,5
Ниобий	1,5-2,5
Тантал	0,5-4,0
Гафний	0,05-0,5
Рений	0,2-0,7
Бор	0,005-0,05
Цирконий	0,001-0,05
Магний	0,001-0,05
Железо	0,01-1,0
Марганец	0,001-0,5
Кремний	0,001-0,5
Никель	остальное