Жаропрочный сплав на основе никеля

 

Использование: для тяжелонагруженных деталей газотурбинных двигателей, работающих до 750°С. Сплав содержит следующие компоненты, мас.%: углерод 0,08 - 0,14, хром 8,5 - 9,5, кобальт 13 - 15, молибден 3,0 - 3,5, вольфрам 5,3 - 6,5, ниобий 3,2 - 3,8, алюминий 3,6 - 4,0, титан 2,5 - 2,9, цирконий 0,01 - 0,06, бор 0,008 - 0,20, ванадий 0,1 - 0,6, лантан 0,005 - 0,012, церий 0,005 - 0,03, магний 0,003 - 0,01, никель - остальное. Изобретение позволяет улучшить кратковременные механические свойства, жаропрочность и технологическую пластичность. 3 табл.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к разработке жаропрочных деформируемых сплавов на основе никеля, предназначенных для дисков и других тяжелонагруженных деталей газотурбинных двигателей (ГТД), работающих до температуры 750^оС.

Широко известны жаропрочные никелевые сплавы как отечественные, так и зарубежные для ГТД, степень легирования которых определяется назначением изготавливаемых из них изделий, отличающимся рабочей температурой, напряженностью и ресурсом работы двигателя [1].

Химический состав жаропрочных никелевых сплавов включает хром, кобальт, молибден, вольфрам, ниобий, алюминий, титан, цирконий, бор, углерод, различное сочетание количественного содержания которых создает различный уровень физико-механических и эксплуатационных характеристик.

Известен жаропрочный никелевый сплав, используемый для силовых изделий ГТД, который содержит следующий химический состав, мас.%: Углерод 0,1-0,2 Хром 15-18 Кобальт 8-11 Молибден 0,75-2,2 Вольфрам 1,8-3 Ниобий 0,5-2 Тантал 1-3 Алюминий 3-4 Титан 3-4 (Сумма Al + Ti не превышает 7,5%) Бор 0,01-0,05 Цирконий 0,01-0,2 Никель Остальное [2] Данный сплав обладает хорошим сочетанием прочности, жаропрочности и пластичности.

В связи с повышением требований к техническому уровню газотурбинных двигателей при создании новых поколений последних возрастают требования к материалу силовых рабочих элементов, наиболее ответственной деталью которых являются диски. Материал дисков помимо высокой жаропрочности должен иметь высокий уровень пластических характеристик, сопротивления ползучести и малоцикловой усталости в диапазоне рабочих температур.

Известен жаропрочный сплав на основе никеля для тяжелонагруженных изделий ГТД, в том числе и для дисков, выбранный заявителем в качестве прототипа, который имеет следующий химический состав, мас.%: Углерод 0,08-0,2 Хром 11,5-16 Кобальт До 10 Молибден 2-4 Тантал и/или вольфрам До 5 (Σ %Cr + 1/3 % Ta + % W) 13,5-17,5 Алюминий 4,3-5 Титан 4-5 ( Σ%Al + %Ti не более 8,5) Гафний До 2% Бор До 0,4% Цирконий До 0,2% [3].

Данный состав сплава обеспечивает повышение жаропрочности, пластичности и ударной вязкости.

Недостаток данного сплава - недостаточная термическая стабильность, вызванная образованием в процессе эксплуатации (длительного воздействия температур и напряжений) вредных фазσ иμ , что приводит к снижению уровня пластических характеристик и жаропрочности. Особенности легирования состава приводят к повышению температур растворения упрочняющей γ ^l-фазы и рекристаллизации, сужению температурной области горячей деформации и резкому увеличению сопротивления деформации, т.е. приводят к снижению технологической пластичности сплава.

Цель изобретения - повышение жаропрочности, механических свойств, термической стабильности и технологической пластичности никелевого сплава.

Поставленная цель достигается тем, что жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, молибден, вольфрам, алюминий, титан, цирконий, бор дополнительно содержит ниобий, ванадий, лантан, магний и церий при следующем соотношении компонентов, мас.%: Углерод 0,08-0,14 Хром 8,5-9,5 Кобальт 13-15 Молибден 3-3,5 Вольфрам 5,3-6,5 Ниобий 3,2-3,8 Алюминий 3,6-4 Титан 2,5-2,9 Цирконий 0,01-0,06 Бор 0,008-0,02 Ванадий 0,1-0,6 Лантан 0,005-0,012 Церий 0,005-0,03 Магний 0,003-0,1 Никель Остальное Предлагаемая композиция состава жаропрочного никелевого сплава по сравнению с прототипом обеспечивает повышение механических свойств, жаропрочности и технологической пластичности, позволяющей изготавливать из него штамповки дисков.

Повышение указанных характеристик стало возможным благодаря определению соотношения содержания компонентов в сплаве при дополнительном легировании его, что позволило упрочнение сплава провести одновременно по различным путям, а именно: путем упрочнения твердого раствора; увеличения объемного содержания и стабильности γ ^l-фазы; упрочнения карбидной фазой и улучшения состояния границ зерен.

Упрочнение твердого раствора осуществляется хромом, кобальтом, молибденом, вольфрамом, обладающими хорошей растворимостью в никеле. Суммарное содержание хрома, молибдена и вольфрама в результате легирования сплава в количестве, указанном в формуле изобретения, обеспечивает максимальную жаропрочность при 650-750^оС при одновременном повышении кратковременных характеристик. При увеличении содержания хрома, кобальта, молибдена и вольфрама соответственно за пределы верхней границы этих элементов согласно формуле изобретения сплав становится структурно нестабильным, в результате чего в процессе длительной эксплуатации (более≥ 100 часов) в сплаве образуются вредные фазы типа σ,μ.

Увеличение объемной доли и стабильность γ ^l-фазы достигается указанным содержанием алюминия и титана и образованием основной упрочняющей фазы Ni₃(Al, Ti), а также введением ниобия, который входит в состав γ ^l-фазы. Повышение содержания алюминия и титана за пределы указанной в формуле изобретения верхней границы ухудшает технологическую пластичность жаропрочного сплава. Повышение содержания ниобия за пределы верхней границы вызывает снижение характеристик пластичности и ухудшение деформируемости.

По данным фазового анализа на образование γ ^l-фазы, содержание которой в сплаве составляет 45-46%, идет при указанном содержании кобальта и вольфрама более 50% алюминия и титана и 80% ниобия. Такая высоколегированная γ ^l-фаза, имея пониженную склонность к коагуляции при 650-750^оС, обеспечивает высокие жаропрочные свойства сплаву.

Положительное влияние ванадия сказывается до 0,6%, при этом улучшается деформируемость сплава.

Сплав упрочняется карбидной фазой. Увеличение ее количества способствует измельчению зерна и повышению кратковременных свойств. Однако увеличение содержания углерода за пределами верхней границы вызывает снижение жаропрочности в связи с тем, что легирующие элементы (титан, ниобий, вольфрам, молибден и др. ) связываются в карбиды, и содержание их в упрочняющей γ ^l-фазе снижается.

Поверхностно-активные элементы (бор, цирконий, магний) в указанном количестве сегрегируют по границам зерен и замедляют процесс зарождения трещин, т. е. улучшают состояние границ зерен. Введение магния оказывает также благоприятное влияние на уровень кратковременных свойств и жаропрочность. Бор и образующиеся в данной композиции бориды типа М₃В₂, а также карбонитриды на основе титана замедляют процессы коагуляции частиц γ ^l-фазы, что повышает термостабильность сплава.

Введение лантана в предложенном количестве также улучшает жаропрочность, что объясняется нейтрализацией вредных примесей в сплаве, способных образовывать легкоплавкие эвтектики. Малая добавка церия повышает жаропрочность и пластичность сплава при рабочих температурах, а также деформируемость сплава в горячем состоянии. Таким образом, заявленная композиция соответствует требованию новизны.

Проверка соответствия заявленной композиции требованию изобретательского уровня при сопоставлении отличительных признаков предложения с известным уровнем техники показала следующее.

Известен состав жаропрочного никелевого сплава, содержащего следующий химический состав, мас.%: Углерод 0,01-0,2 Хром 5-9 Вольфрам 7,5-12 Молибден 1-4 (причем ΣW +Мо не более, чем 14%) Кобальт 7-16 Тантал 3-6 Алюминий 2,5-5 Титан 2,5-5 (Σ Al + Ti 6,5-8,5) Цирконий 0,01-0,2 Бор 0,01-0,1 Гафний До 3 Ниобий До 2 Железо До 2 Ванадий До 1 Иттрий До 0,02 [4].

Из сопоставления заявленного состава с известным следует, что известно дополнительное легирование сплава на основе никеля, содержащего углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, алюминий, цирконий, бор, ниобием и ванадием с целью повышения механических свойств и жаропрочности.

Известно также дополнительное микролегирование с целью повышения жаропрочности и пластичности церием и лантаном жаропрочного сплава на основе никеля, имеющего следующий химический состав, мас.%: Углерод 0,04-0,08 Хром 13-16 Кобальт 6-12 Молибден 4-8 Титан 2,3-3,0 Алюминий 1,8-3 Ниобий 2,2-6 Лантан 0,001-0,1 Бор 0,001-0,01 Церий 0,001-0,03 Никель Остальное [5].

Анализ показывает, что известность дополнительного легирования ниобием и ванадием системы характеризуется отличным от заявленного состава количественным содержанием остальных легирующих компонентов [4], а с другой стороны, - микролегирование церием и лантаном композиции, отличающейся и по качественному составу, не дает оснований рассматривать заявленный состав как дополнение известного средства какими-либо известными частями, присоединяемыми к нему по известным правилам для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений, так как достигаемый результат является следствием сложного взаимодействия легирующих компонентов, как указано выше, и определяется в каждом конкретном случае уровнем поставленной задачи.

П р и м е р. Сплавы заявленного состава выплавляли в вакуумно-индукционной печи емкостью 50 кг. Механические свойства и жаропрочность определялась на поковках. Термическая обработка проводилась по режиму: закалка с 1110-1140^оС, выдержка - 3 ч, охлаждение - масло, двойное старение: 760± 10^оС, 32 ч + 850 ± 10^оС, 6 ч.

Составы сплавов приведены в табл. 1.

Достигаемый результат - кратковременные механические свойства, жаропрочность и технологическая пластичность - представлены в табл. 2 и 3.

Формула изобретения

ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ, содержащий углерод, хром, кобальт, молибден, вольфрам, алюминий, титан, цирконий, бор, отличающийся тем, что он дополнительно содержит ниобий, ванадий, лантан, церий и магний при следующем соотношении компонентов, мас.%: Углерод 0,08 - 0,014 Хром 8,5 - 9,5 Кобальт 13 - 15 Молибден 3,0 - 3,5 Вольфрам 5,3 - 6,5 Ниобий 3,2 - 3,8
Алюминий 3,6 - 4,0
Титан 2,5 - 2,9
Цирконий 0,01 - 0,06
Бор 0,008 - 0,020
Ванадий 0,1 - 0,6
Лантан 0,005 - 0,012
Магний 0,003 - 0,1
Церий 0,005 - 0,03
Никель Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2