Жаропрочный сплав на основе никеля для литья сопловых лопаток с равноосной структурой газотурбинных установок

Жаропрочный сплав на основе никеля для литья сопловых лопаток с равноосной структурой газотурбинных установок

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к металлургии, в частности к литейным жаропрочным коррозионно-стойким сплавам на основе никеля с хромом и кобальтом, и может быть использовано для изготовления литьем сопловых (направляющих) лопаток газотурбинных установок, работающих в агрессивных средах при температурах 700-900°С.

Высокие прочностные характеристики сплавов для литья сопловых лопаток достигаются за счет значительного количества (20-45 об.%) упрочняющей γ′-фазы (Ni₃Al), легированной ниобием, титаном и т.д., а также упрочнением твердого раствора (γ-фазы) кобальтом, хромом, молибденом, вольфрамом.

Известен жаропрочный сплав на основе никеля для литья лопаток газотурбинных установок, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, тантал, цирконий, бор, гафний, кремний, церий, лантан, иттрий, диспрозий и никель при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,01-0,10; хром 17-21; кобальт 2-12; молибден до 1,0; вольфрам 1-4; алюминий 4,0-4,7; тантал 3-7; цирконий 0,01-0,15; бор 0,002-0,02; гафний 0,05-0,1; кремний ≤ 0,1; церий 0,01-0,2; лантан 0,01-0,2; иттрий 0,01-0,2; диспрозий - 0,02-0,2; никель - остальное.

(RU 2441088; С22С 19/05, опубликовано 27.01.2012).

Однако данный известный сплав при достаточно высокой жаропрочности имеет пониженную коррозионную стойкость (при том, что содержит остродефицитный тантал до 7 мас.%) и некоторое снижение структурной стабильности на ресурс в процессе наработки.

Наиболее близким по технической сущности является жаропрочный сплав на основе никеля MGA2400 для изготовления литьем элементов газовых турбин и сопловых лопаток с равноосной структурой.

Известный сплав включает углерод, хром, кобальт, вольфрам, титан, алюминий, бор, тантал, цирконий, ниобий, церий, иттрий и никель при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 0,08-0,12; хром 18,5-19,5; кобальт 18,5-19,5; вольфрам 5,8-6,2; титан 3,6-3,8; алюминий 1,8-2,2; бор 0,004-0,012; тантал 1,3-1,5; цирконий 0,08-0,12; ниобий 0,9-1,1; церий и иттрий в сумме до 0,02; никель - остальное.

(I. Okada и др. Development of Ni Base Superalloy of Industrial Gas Turbine, Сб. «Superalloys 2004» под ред. K.A. Green, 2004, стр. 707-712).

Данный известный сплав имеет высокую жаропрочность, умеренную коррозионную стойкость, но отличается пониженной структурной стабильностью на ресурс - прогнозируется выпадение до 5-6% σ-фазы и фазы Ni₃Ti, которые существенно понижают пластичность.

Таким образом, известные сплавы при рабочих температурах сопловых лопаток 700-900°С и выше, а также воздействиях агрессивной среды не обладают оптимальным сочетанием служебных характеристик (жаропрочность, сопротивление коррозии, структурная стабильность на ресурс) с высокими технологическими характеристиками.

Целью изобретения и его техническим результатом является создание жаропрочного сплава на основе никеля для литья сопловых лопаток с равноосной структурой газотурбинных установок, обладающего повышенной длительной прочностью при рабочих температурах 700-900°С в сочетании с высоким сопротивлением окислению и коррозионным воздействиям, а также повышенной структурной стабильностью на ресурс и улучшенными технологическими характеристиками.

Технический результат достигается тем, что жаропрочный сплав на основе никеля для литья сопловых лопаток с равноосной структурой газотурбинных установок включает углерод, хром, кобальт, вольфрам, титан, алюминий, бор, ниобий, цирконий, иттрий, молибден, марганец, кремний, лантан, железо, медь, серу, фосфор, азот, кислород и никель, при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,07-0,10; хром 21,0-21,7; кобальт 10,3-10,8; вольфрам 3,6-4,0; титан 3,6-3,9; алюминий 2,5-2,8; ниобий 0,15-0,3; бор 0,010-0,020; цирконий ≤ 0,03; иттрий ≤ 0,03; молибден 0,7-1,0; марганец ≤ 0,03 кремний ≤ 0,3; лантан ≤ 0,02; железо ≤ 0,5; медь ≤ 0,05; сера ≤ 0,005; фосфор ≤ 0,008; азот ≤ 15 ppm; кислород ≤ 20 ppm и никель - остальное, при этом суммарное содержание алюминия и титана составляет 6,1-6,7 мас.%, а отношение содержания титана к содержанию алюминия 1,3-1,4.

Количество упрочняющей γ′-фазы (Ni₃Al) в сплаве по изобретению составляет 34-36 ат.%, что обеспечивает высокий и стабильный уровень служебных характеристик, например жаропрочность: 219 МПа за 10³ часов при 850°С.

Введение молибдена до 1,0 мас.% при оптимальном содержании вольфрама и молибдена и суммарном содержании алюминия и титана 6,1-6,7 мас.% обеспечивает повышенные характеристики жаропрочности. Введение марганца, кремния и лантана при отношении содержания титана к содержанию алюминия 1,3-1,4 приводят к повышенному сопротивлению коррозии.

Ограничение содержания железа, меди, серы, азота, кислорода и фосфора в сочетании с формированием карбидов на основе никеля и титана с оптимальной морфологией обеспечивает устранение примесных соединений с границ зерен и повышенные пластические характеристики и ударную вязкость, а также способствует получению оптимальной равноосной структуры сплава.

Достижение поставленного технического результата можно проиллюстрировать данными из таблиц 1 и 2.

Служебные характеристики металла сравниваемых сопловых лопаток были оценены с использованием известной методики ФАКОМП и других известных методик расчета свойств по их химическому составу. Известные методики позволяют с высокой степенью достоверности оценить структурную стабильность на ресурс (образования охрупчивающих фаз), склонность к выделению в литом состоянии неравновесных эвтектических фаз, на месте которых при термообработке литых лопаток образуются поры и трещины, характеристики длительной прочности, критические точки металла лопатки и другие физико-механические свойства,

(H. Harada и др., Сб. Superalloys, 1988; p.p. 733-742; H. Harada и др., Сб. Superalloys, 2000; p.p. 729-736; H. Harada, Сб. Alloys Design for Nickel-base Superalloys, 1982, p.p. 721-735)

Из представленных данных, полученных с использованием известных расчетных методик, служебных характеристик жаропрочных сплавов на основе никеля, видно, что сплав по изобретению с равноосной структурой превосходит известные сплавы по комплексу служебных характеристик.

При примерно равных показателях жаропрочности сплав по изобретению с равноосной структурой имеет заметно более высокие (~ 25%) показатели сопротивления окислению и коррозионным воздействиям, а также более высокую стабильность на ресурс (в нем не прогнозируется выпадение охрупчивающих фаз).

Повышенная коррозионная стойкость сплава приведет к повышению термоусталостных характеристик и продлению ресурса.

Достижение поставленного технического результата дает возможность использовать сплав по изобретению для изготовления литьем сопловых лопаток газотурбинных установок с рабочими температурами по металлу 700-900°С, при том что цена шихтовых материалов дешевле на ~ 35% по сравнению с прототипом.

Жаропрочный сплав на основе никеля для литья сопловых лопаток с равноосной структурой газотурбинных установок, включающий углерод, хром, кобальт, вольфрам, титан, алюминий, бор, ниобий, цирконий, иттрий и никель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит молибден, марганец, кремний, лантан, железо, медь, серу, фосфор, азот и кислород при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,07-0,10; хром 21,0-21,7; кобальт 10,3-10,8; вольфрам 3,6-4,0; титан 3,6-3,9; алюминий 2,5-2,8; ниобий 0,15-0,3; бор 0,010-0,020; цирконий ≤0,03; иттрий ≤0,03; молибден 0,7-1,0; марганец ≤0,03 кремний ≤0,3; лантан ≤0,02; железо ≤0,5; медь ≤0,05; сера ≤0,005; фосфор ≤0,008; азот ≤15 ppm; кислород ≤20 ppm и никель - остальное, при этом суммарное содержание алюминия и титана составляет 6,1-6,7 мас.%, а отношение содержания титана к содержанию алюминия 1,3-1,4.