Жаропрочный сплав на основе никеля для изготовления лопаток газотурбинных установок и способ его термической обработки

Жаропрочный сплав на основе никеля для изготовления лопаток газотурбинных установок и способ его термической обработки

Реферат

Изобретение относится к металлургии, в частности к литейным коррозионно-стойким 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 600-900°С, например лопаток с равноосной структурой.

Высокие прочностные характеристики таких сплавов достигаются за счет значительного количества (35-55 ат.%) упрочняющей γ′-фазы (Ni₃Al), легированной ниобием, танталом и другими элементами, 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 алюминия ≥1,0, а также введением редкоземельных элементов. Сопротивление окислению при повышенных температурах обеспечивают повышенным содержанием алюминия и титана, ограничением содержания молибдена в сочетании с введением редкоземельных элементов. Служебные характеристики лопаток из жаропрочных сплавов на основе никеля зависят от способа термообработки, обеспечивающего оптимальную структуру металла и распределение упрочняющих соединений в сплаве.

Служебные характеристики сплавов, в том числе структурная стабильность на ресурс (исключение образования охрупчивающих фаз), и склонность к образованию 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 (Н. Harada, Сб. Alloys Design for Nickel-base Superalloys, 1982, p.p.721-735; H. Harada и др., Сб. Superalloys, 1988; p.p.733-742; Сб. Superalloys, 2000; p.p.729-736).

Известен коррозионно-стойкий жаропрочный сплав на основе никеля для изготовления литых рабочих лопаток газотурбинных установок (ГТУ) с равноосной структурой. Известный сплав включает углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, титан, ниобий, тантал, бор, цирконий и никель при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,015; хром 16,0; кобальт 8,75; вольфрам 2,7; молибден 1,75; алюминий 3,6; титан 3,7; ниобий 1,0; тантал 1,8; бор 0,1; цирконий 0,01; никель остальное. Известный сплав используют для изготовления лопаток ГТУ с пониженной газоусадочной пористостью за счет повышенного содержания бора (до 0,10 мас.%) и пониженного содержания углерода (до 0.02 мас.%). Уменьшения газоусадочной пористости достигают в результате более полной пропитки при кристаллизации жидким расплавом междендритных областей, так как боридные эвтектики имеют более низкую температуру растворения T_SOL≈1150-1170°С по сравнению с температурой растворения карбоборидной эвтектики TSol ~ 1200-1235°С традиционно легированных сплавов. Такие сплавы получили название ВС-сплавы (G.L.R. Durber, сб. «High Temperature Alloys for Gas Turbines", 1978, p.p.459-465).

Однако известные сплавы подобного типа, например, В1981, который используют для изготовления крупногабаритных рабочих лопаток ГТУ, при достаточной структурной стабильности на ресурс эксплуатации и высокой коррозионной стойкости имеют пониженные показатели жаропрочности, несмотря на содержание около 1,6 мас.% тантала.

Известен жаропрочный сплав на основе никеля, включающий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, титан, бор, церий, ниобий, кальций, цирконий, кремний, марганец, серу, фосфор и никель при следующих соотношениях 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 0,4; 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 характеризуется достаточно высокой жаропрочностью и структурной стабильностью на ресурс, но имеет умеренную коррозионную стойкость, а также недостаточную кратковременную и длительную пластичность. При этом, при достаточно высоком содержании бора (до 0,05 мас.%) известный сплав имеет объем газоусадочной пористости, практически равный пористости сплавов с традиционным легированием.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является жаропрочный сплав на основе никеля для изготовления рабочей или сопловой лопатки с равноосной структурой для газовой турбины и способ его термообработки (RU 2443792, С22С 19/05, опубликовано 27.02.2012).

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.

Способ термообработки известного сплава включает нагревание до температуры 2050±25°F (1120±4°C) и выдерживание в течение 2 часов ±15 минут, охлаждение закалкой в потоке газа (аргон, гелий) до температуры 1100°F (593°C) или ниже, повторное нагревание до температуры 1975±25°F (1080±4°C), и выдерживание в течение 4 часов ±15 минут, повторное охлаждение закалкой в потоке газа до температуры 1100°F (593°C) или ниже, нагревание сплава до температуры 1550°F±25° F (843±4°C) и выдерживание (старение) в течение 24 часов ±30 минут, и охлаждение сплава до температуры 1100°F (593°C) или ниже.

Известный сплав за счет значительного объема упрочняющей γ′-фазы (≈56 ат.%) характеризуется повышенной жаропрочностью, однако содержит до 6% эвтектики, которая при используемом для этого сплава способе термообработки не может быть растворена (ее T_SOL>1200°C), не участвует в упрочнении и приводит к повышению газо-усадочной пористости. Кроме того, известный сплав не обладает достаточной коррозионной стойкостью и в процессе наработки в нем прогнозируется выпадение ≈ 2% охрупчивающей σ-фазы.

Задачей и техническим результатом изобретения является повышение характеристик прочности, пластичности и коррозионной стойкости металла лопаток с равноосной структурой в сочетании с повышенной структурной стабильностью на ресурс и пониженным уровнем газоусадочной пористости.

Технический результат достигается тем, что жаропрочный сплав на основе никеля для изготовления лопаток газотурбинных установок содержит углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, алюминий, бор, цирконий, гафний, кремний, железо, медь, серу, азот, кислород, церий, ниобий, иттрий, марганец, фосфор и никель при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,05-0,09; хром 15,4-15,8; кобальт 10,0-10,4; вольфрам 5,0-5,3; молибден 1,6-1,8; титан 4,3-4,5; алюминий 3,0-3,2; бор 0,06-0,09; цирконий<0,015; гафний 0,2-0,3; кремний <0,1; железо <0,1; медь <0,05 сера <0,005; азот <20 ppm; кислород <15 ppm, церий <0,015; ниобий 0,1-0,2; иттрий <0,03; марганец <0,1; фосфор <0,005 и никель остальное.

Технический результат также достигается тем, что способ термической обработки сплава по п.1 включает гомогенизирующий отжиг с нагреванием, выдержкой и охлаждением, а также старение при температуре 850±10°C, причем гомогенизирующий отжиг ведут с нагреванием со скоростью 5-10°C/мин до температуры 1060±10°C, выдержкой в течение 3-4 часов в инертной среде, а охлаждение - со скоростью 30-50°C/мин до температуры 600-700°C и далее с произвольной скоростью до комнатной температуры, а старение ведут в течение 16 часов с последующим охлаждением на воздухе до комнатной температуры.

Нагревать известный сплав до температур, близких к 1150°C и выше, нельзя, так как возможно оплавление боридной эвтектики, что приведет к снижению служебных характеристик лопатки.

Достижение поставленного технического результата можно проиллюстрировать примером осуществления способа и данными таблиц 1-2, где представлены составы известных сплавов и сплава по изобретению, а также их служебные характеристики, оцененные по известным методикам, в том числе использованным в описании патента RU 2443792.

При этом учитывалось, что известный сплав по патенту RU 2443792 подвергали термической обработке, включающей нагревание до температуры 1120±4°С, выдержку в течение 2 часов ±15 минут, охлаждение закалкой в потоке газа аргона до температуры 590°C, повторное нагревание до температуры 1080±4°C и выдержку в течение 4 часов ±15 минут, повторное охлаждение закалкой в потоке аргона до температуры 590°C, нагревание сплава до температуры 843±4°C и выдержку в течение 24 часов ±30 минут, а также последующее охлаждение до комнатной температуры.

Также учитывалось, что сплав по изобретению подвергали гомогенизирующему отжигу, включающему нагревание со скоростью 5-10°С/мин до температуры 1060±10°C, выдержку в течение 3-4 часов в инертной среде, последующее охлаждение со скоростью 30-40°C/мин до температуры 650±25°C и далее с произвольной скоростью до комнатной температуры, а повторный нагрев на старение при температуре 850±10°C вели с выдержкой в течение 16 часов с последующим охлаждением на воздухе до комнатной температуры.

Повышенное содержание бора (0,06-0,09 мас.%), дополнительное присутствие церия, ниобия, иттрия, марганца при ограниченном содержании фосфора позволит сформировать структуру сплава, обеспечивающую более полную пропитку жидким расплавом междендритных областей, повысить жаропрочность, пластичность и коррозионную стойкость металла лопаток с равноосной структурой.

Осуществление гомогенизирующего отжига с заданными скоростями нагревания и охлаждения, выдержки в инертной среде при температуре ниже нижнего порога растворения боридной эвтектики T_SOL=1150°C, а также предлагаемый режим старения и последующего охлаждения, позволит получить оптимальные объем и размер упрочняющей γ′-фазы как внутри зерен, так и на границах зерен. Состав сплава и режим его термообработки обеспечивают высокий уровень структурной стабильности на ресурс (показатели M_{dy крит}≤0,928 N_v≤2,36 меньше критических значений).

Данные таблицы 2 показывают, что сплав по изобретению обладает оптимальным сочетанием служебных характеристик, имеет повышенную стабильность на ресурс (нет выпадения σ-фазы), более высокие показатели (в 4 раза) по коррозионной стойкости и более низкую (в 1,5-1,7 раза) газоусадочную пористость.

Таблица 1
Химический состав сплавов для литья лопаток
Содержание	Известные сплавы	Сплав по изобретению
компонентов,	В1981	По патенту	По патенту
мас.%	SU 1072497	RU 2443792
углерод	0,015	0,07-0,15	0,04-0,12	0,05-0,09
хром	16,0	12,5-14,0	11,5-12,5	15,4-15,8
кобальт	8,75	4,0-6,0	11,5-12,5	10,0-10,4
вольфрам	2,7	4,0-6,0	3,3-3,7	5,0-5,3
молибден	1,75	1,5-2,5	1,7-2,1	1,6-1,8
титан	3,7	4,5-5,5	4,85-5,15	4,3-4,5
алюминий	3,6	2,8-3,2	3,35-3,65	3,0-3,2
бор	од	0,01-0,05	0,01-0,02	0,06-0,09
тантал	1,8	-	2,3-2,7	-
цирконий	0,01	0,005-0,01	0,0-20 ppm	≤0,015
гафний	-	-	0,0-005	0,2-0,3
кремний	-	0,4	≤0,05	≤0,1
железо	-	-	0,0-0,15	≤0,1
медь	-	-	0,0-0,1	≤0,05
сера	-	≤0,15	0,0-0,0012	≤0,005
азот	-	-	0,0-25 ppm	≤20 ppm
кислород	-	-	0,0-10 ppm	≤15 ppm
церий	-	0,02-0,05	-	≤0,015
ниобий	1,0	0,05-1,0	-	0,1-0,2
иттрий	-	-	-	≤0,03
марганец	-	0,4	≤0,08	≤0,1
фосфор	-	≤0,015	≤0,005	≤0,005
кальций	-	0,005-0,01	-	-
никель	остальное	остальное	остальное	остальное

Таблица 2
Жаропрочные сплавы с равноосной структурой лопаток
Характеристики сплава	Известные сплавы	Сплав по изобретению
В1981	По патенту SU 1072497	По патенту RU 2443792
1. Упрочняющая γ′-фаза 1.1. Объем γ′-фазы, ат.%	47,9	49,2	55,7	45,1
1.2. Суммарное содержание титана и алюминия, мас.%	7,3	8,0	8,5	7,5
1.3.Сольвус Тγ′, °C осредненный	1167	1231	1198	1194
1.4. Степень залегированности γ′-фазы	1,088	1,059	1,081	1,078
1.5. Ti/Al	1,03	1,66	1,43	1,42
1.6. Mismach при 850°C	+0,001	-0,003	-0,006	-0,005
1.7. Количество неравновесной эвтектической γ′-фазы, межось-литой, %	5-6	1-2	5-6	1-2
2. Энергия дефектов упаковки в γ-фазе	1,911	2,212	1,156	1,422
3. Плотность т/м3	8,13	8,22	8,22	8,18
4. Структурная стабильность ФАКОМП, 4.1. Mdy крит≤0,928 осредненный с ТО	0,927	0,920	0,932	0,925
σ≈2%
4.2. Литой без ТО: межось	0,915	0,899	0,914	0,913
5. Длительная прочность, МПа
1) σ 10 3 760 °C	472	493	498	473
2) σ 10 3 850 °C	244	277	283	261
3) σ 10 3 900 °C	162	184	182	176
4) σ 10 2 982 °C	124	150	148	138
6. Сравнительная коррозионная стойкость	-1,375	-1,156	-0,369	-1,482
lg Metall loss (JN792=-0,26)
lg corros Rate (JN792=0,1)	0,224	0,195	0,010	0,116
7. Цена шихты (условная), $/т	15690	10780	17800	11600

1. Жаропрочный сплав на основе никеля для изготовления лопаток газотурбинных установок, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, алюминий, бор, цирконий, гафний, кремний, железо, медь, серу, азот, кислород и никель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит церий, ниобий, иттрий, марганец и фосфор при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,05-0,09; хром 15,4-15,8; кобальт 10,0-10,4; вольфрам 5,0-5,3; молибден 1,6-1,8; титан 4,3-4,5; алюминий 3,0-3,2; бор 0,06-0,09; цирконий <0,015; гафний 0,2-0,3; кремний <0,1; железо <0,1; медь <0,05; сера <0,005; азот <20 ppm; кислород <15 ppm, церий <0,015; ниобий 0,1-0,2; иттрий <0,03; марганец <0,1; фосфор <0,005 и никель - остальное.

2. Способ изготовления лопаток газотурбинных установок из жаропрочного сплава на основе никеля по п.1, характеризующийся тем, что проводят термическую обработку путем гомогенизирующего отжига с нагревом, выдержкой и охлаждением и старения, при этом гомогенизирующий отжиг ведут в инертной атмосфере с нагревом со скоростью 5-10°C/мин до температуры 1060±10°C, выдержкой в течение 3-4 часов и охлаждением со скоростью 30-50°C/мин до температуры 600-700°С и далее до комнатной температуры, а старение проводят при температуре 850±10°C в течение 16 часов с последующим охлаждением на воздухе до комнатной температуры.