Никелевый жаропрочный сплав для монокристального литья

 

Изобретение относится к металлургии сплавов, а именно к производству жаропрочных сплавов на основе никеля не содержащих углерода в качестве легирующего элемента, используемых для изготовления деталей с монокристаллической структурой с кристаллографической ориентацией <001>, например лопаток газовых турбин, работающих длительно при высоких температурах. Сплав содержит, мас. %: хром 5,8 - 6,8; алюминий 5 - 5,8; вольфрам 6 - 7,8; тантал 6 - 7,8; молибден 3,5 - 4,8; кобальт 0,1 - 6; ниобий 0,05 - 0,5; церий 0,002 - 0,02; иттрий 0,002 - 0,02; лантан 0,002 - 0,02; никель - остальное, при соблюдении условия: 10,5 ≅ (1/2W+1/2Ta+Mo+Nb) ≅ 1,5. Сплав имеет число циклов до разрушения при температуре 900°С под напряжением σ_-1= 46 кгс/мм²N = (4,5-5,)·10⁶ σ_-1= 42 кг/мм²N = (15,9-19,3)·10⁶ σ_-1= 35 кгс/мм² N = (30,3-47,9)·10⁶ .2 табл.

Изобретение относится к металлургии сплавов, а именно к производству жаропрочных сплавов на основе никеля, не содержащих углерода в качестве легирующего элемента, используемых для изготовления деталей с монокристаллической структурой с кристаллографической ориентацией <001>, совпадающей с направлением движения фронта кристаллизации, например лопаток газовой турбины, работающих длительно при высоких температурах. Известен сплав на основе никеля состава, мас.%: Хром 4-10 Алюминий 4-6,5 Вольфрам 4-10 Молибден 1,5-6 Тантал 4-9 Кобальт 0-12 Никель остальное при соблюдении условия 9,5≅(1/2W+1/2Ta+Mo) ≅13,5. Однако указанный сплав обладает склонностью к образованию при затвердевании η-карбидов типа Мe₆C эвтектического происхождения из-за неизбежного присутствия примеси углерода, а также склонностью к образованию фаз на основе твердых растворов легирующих элементов в молибдене () и вольфраме (α_W) в связи с повышенным суммарным содержанием молибдена, вольфрама и тантала. Наличие в структуре сплава η-карбидов и фаз , α_W приводит к сужению температурного интервала гомогенизирующего отжига, т.е. уменьшает разность между температурой солидуса сплава и температурой обработки на твердый раствор, которая соответствует (или выше) температуре начала растворения избыточных фаз γ^l, , α_W и не позволяет без риска оплавления проводить гомогенизирующий отжиг для полного растворения избыточных фаз и устранения ликвационной неоднородности. В связи с этим сплав обладает недостаточно высокой выносливостью при температуре 900^оС, соответствующей рабочей температуре замка и внутренней полости охлаждаемой лопатки. Целью изобретения является улучшение технологических характеристик сплава при повышении предела выносливости. Цель достигается тем, что в никелевый жаропрочный сплав для монокристального литья, содержащий хром, алюминий, вольфрам, тантал, молибден, кобальт, дополнительно введены ниобий, церий, иттрий, лантан при следующем соотношении компонентов, мас.%: Хром 5,8-6,8 Алюминий 5-5,8 Вольфрам 6-7,8 Тантал 6-7,8 Молибден 3,5-4,8 Кобальт 0,1-6 Ниобий 0,05-0,5 Церий 0,002-0,02 Иттрий 0,002-0,02 Лантан 0,002-0,02 Никель Остальное при соблюдении условия 10,5≅(1/2W+1/2Ta+Mo+Nb)≅11,5. Введение в состав сплава церия, иттрия и лантана устраняет образование η-карбидов эвтектического происхождения, что приводит к расширению температурного интервала гомогенизирующего отжига без риска оплавления. В результате повышается предел выносливости. Кроме того, введение в состав ниобия при одновременной корректировке химического состава и выполнении условия 10,5≅(1/2W+1/2 Ta+ Mo+ Nb)≅11,5 приводит к устранению образования - и α_W- фаз, способствует оптимальному перераспределению тугоплавких компонентов (W, Ta, Mo) между γ- и γ^l-фазами, в результате которого выравниваются их химические составы и достигается оптимальное размерное несоответствие периодов кристаллических решеток γ- и γ^l-фаз, что также способствует повышению предела выносливости сплава. В металлургии жаропрочных никелевых сплавов известна положительная роль микролегирования редкоземельными элементами, заключающаяся во взаимодействии с границами зерен и фаз, приводящем к повышению их когезивной прочности и снижению диффузионной проницаемости по границам зерен и фаз. Однако в данном случае при указанном соотношении компонентов легирование церием, иттрием и лантаном монокристаллического безуглеродистого сплава используется для устранения образования при затвердевании η-карбидов типа Me₆C из-за неизбежного присутствия примеси углерода в связи с более предпочтительным образованием при температурах выше ликвидуса высокодисперсных соединений церия, иттрия, лантана с углеродом. В результате предотвращается образование эвтектических карбидов типа Ме₆С дендритной морфологии, что способствует расширению выносливости сплава. Это подтверждает существенные отличия предложенного технического решения от известных. П р и м е р. Для проверки были выплавлены в вакуумно-индукционной печи 9 сплавов предлагаемого состава и один сплав состава, взятого за прототип. Затем эти сплавы переплавляли по серийной технологии в печи для направленной кристаллизации УВНК-8П с получением монокристаллических слитков (диаметр 16 мм, длина 200 мм) с кристаллографической ориентацией <001>. Из слитков изготавливали образцы для дифференциального термического анализа и определяли критические точки сплавов. Затем слитки термически обрабатывали по режиму: гомогенизирующий отжиг при температуре 1320±10^oС в течение 4 ч, охлаждение на воздухе, отжиг при температуре 1080^оС 5 ч, охлаждение на воздухе, старение при температуре 870^оС 20 ч, охлаждение на воздухе. Далее из слитков изготавливали образцы (длина 110 мм, минимальный диаметр 7,5 мм) для испытаний на выносливость (чистый изгиб вращающихся образцов). Испытания проводили при температуре 900^оС на воздухе без защитных покрытий. Содержание компонентов и характеристики сплавов приведены в табл.1 и 2 соответственно. Как видно из табл.2, предлагаемый сплав имеет большую величину температурного интервала гомогенизирующего отжига на 17-32^оС и солидуса на 11-26^оС, чем сплав, взятый за прототип. Это позволяет повысить температуру гомогенизации без риска оплавления и полностью устранить фазовую и химическую ликвационную неоднородность. Отливки, полученные из предлагаемого сплава, практически не содержат избыточных фаз. В результате предлагаемый сплав значительно превосходит известный сплав по пределу выносливости, что позволяет рекомендовать этот сплав для литья монокристаллических лопаток (охлаждаемых) газовой турбины, к которым предъявляются повышенные требования по длительному ресурсу. Время до разрушения образцов предлагаемого сплава при испытании на длительную прочность при температуре 1050^оС под напряжением 15 кгс/мм² равно 450-500 ч.

Формула изобретения

НИКЕЛЕВЫЙ ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ ДЛЯ МОНОКРИСТАЛЬНОГО ЛИТЬЯ, содержащий хром, алюминий, вольфрам, тантал, молибден, кобальт, отличающийся тем, что, с целью улучшения технологических характеристик сплава при повышении предела выносливости, он дополнительно содержит ниобий, церий, иттрий, лантан при следующем соотношении компонентов, мас.%: Хром - 5,8-6,8 Алюминий - 5-5,8 Вольфрам - 6-7,8 Тантал - 6-7,8 Молибден - 3,5-4,8
Кобальт - 0,1-6
Ниобий - 0,05-0,5
Церий - 0,002-0,02
Иттрий - 0,002-0,02
Лантан - 0,002-0,02
Никель - Остальное
при соблюдении условия
10,5 ≅ (1/2 W + 1/2 Ta + Mo + Nb) ≅11,5.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

MM4A - Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 24.10.2009

Извещение опубликовано: 20.10.2010        БИ: 29/2010

---