Жаропрочный сплав на основе никеля

 

Использование: при производстве тяжелонагруженных деталей газотурбинных двигателей. Сплав содержит следующие компоненты, мас. углерод 0,04 0,08; хром 7 8; кобальт 14 16; молибден 1,8 2,5; вольфрам 6,5 7,4; ниобий 1,8 - 2,2; титан 1,0 1,5; алюминий 5,3 5,8; бор 0,005 0,05; цирконий 0,005 0,5; церий 0,005 0,05; гафний 0,2 0,8; магний 0,001 - 0,08; никель остальное. Сплав обладает высокой длительной прочностью при 750 850°С в комплексе с высокой прочностью и нечувствительностью к концентраторам напряжения. 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии жаропрочных сплавов на основе никеля, предназначенных для тяжелонагруженных деталей газотурбинных двигателей и получаемых методом литья, деформации слитка и порошковой металлургии.

Известен жаропрочный никелевый сплав [1] предназначенный для деталей газовых турбин, состава, мас.

Хром 15,0-17,0 Молибден 3,5-4,5 Титан 2,5-3,0 Алюминий 2,4-3,0 Вольфрам 4,6-6,0 Бор 0,01-0,02 Кобальт 4,0-6,0 Цирконий 0,3-0,5 Иттрий 0,1-0,5 Церий 0,03-0,5
Никель Остальное
Известен сплав состава, мас.

Углерод 0,13-0,20
Хром 8,0-9,5
Кобальт 9,0-10,5
Молибден 1,2-2,4
Алюминий 5,1-6,0
Титан 2,0-2,9
Вольфрам 9,5-11,0
Ниобий 0,8-1,2
Бор 0,02-0,05
Никель Остальное
Общий недостаток существующих сплавов низкий уровень кратковременной прочности при 20^оС и жаропрочности при рабочих температурах.

Известен жаропрочный сплав [2] на основе никеля (прототип) состава, мас.

Хром 5,0-30,0
Молибден 5,0-30,0
Вольфрам 0-20,0
Алюминий 2,0-17,0
Титан 0,5-7,2
Ниобий 0-5,0
Кобальт 0-30,0
Цирконий 0,01-0,3
Бор 0,003-0,3
Углерод 0,01-0,5
Магний 0-0,15
Марганец 0-0,4
Никель Остальное
Недостатки прототипа низкий уровень механических свойств при комнатной и рабочих температурах и чувствительность сплава к концентраторам напряжений при рабочих температурах.

Предлагается сплав на основе никеля следующего состава, мас.

Углерод 0,04-0,08
Хром 7,0-8,0
Кобальт 14,0-16,0
Молибден 1,8-2,5
Вольфрам 6,5-7,4
Ниобий 1,8-2,2
Титан 1,0-1,5
Алюминий 5,3-5,8
Бор 0,005-0,05
Цирконий 0,005-0,5
Церий 0,005-0,05
Гафний 0,2-0,8
Магний 0,001-0,08
Никель Остальное
Предлагаемый сплав отличается дополнительным введением гафния и церия при следующем соотношении компонентов, мас.

Углерод 0,04-0,08
Хром 7,0-8,0
Кобальт 14,0-16,0
Молибден 1,8-2,5
Вольфрам 6,5-7,4
Ниобий 1,8-2,2
Титан 1,0-1,5
Алюминий 5,3-5,8
Бор 0,005-0,05
Цирконий 0,005-0,5
Церий 0,005-0,05
Гафний 0,2-0,8
Магний 0,001-0,08
Никель Остальное
Дополнительное введение гафния и церия при предлагаемом соотношении компонентов обеспечивает совмещение матричного упрочнения с упрочнением стабильными карбидами, в том числе с упрочнением границ зерен, что позволяет значительно упрочнить сплав вплоть до высоких температур и затормозить зернограничное проскальзывание при повышенных температурах, т.е. повысить нечувствительность сплава к концентраторам напряжений.

Снижение количества вводимых в сплав компонентов ниже предлагаемых пределов снижает общий уровень механических свойств, а увеличение количества вводимых компонентов выше предлагаемых пределов вызывает образование охрупчивающих топологически плотноупакованных и эвтектических фаз, что значительно снижает пластические характеристики и вызывает чувствительность к концентраторам напряжений.

Методом порошковой металлургии были изготовлены и испытаны: прототип следующего состава, мас. хром 12,0; молибден 13,0; вольфрам 10,0; алюминий 7,0; титан 3,0; ниобий 2,5; кобальт 14,0; цирконий 0,12; бор 0,015; углерод 0,25; магний 0,07; марганец 0,2; никель остальное, а также три состава предлагаемого сплава и два состава, выходящие за предлагаемые пределы. Составы приведены в табл. 1.

Состав 1 соответствует минимальному содержанию компонентов, состав 2 среднему значению компонентов, состав 3 максимальному содержанию компонентов, состав 4 содержанию компонентов ниже предлагаемых пределов, состав 5 содержанию компонентов выше предлагаемых пределов.

Сопоставление кратковременных механических свойств при 20^оС, длительной прочности и коэффициента чувствительности к концентраторам напряжения при рабочих температурах предлагаемого, выходящего за пределы предлагаемого и известного сплавов, приведены в табл. 2.

Из табл. 2 видно, что у предлагаемого сплава по сравнению с известным в 1,5-2 раза выше все кратковременные характеристики при 20^оС и при рабочих температурах 750, 800 и 850^оС пределы 100-часовой длительной прочности выше на 8,13 и 9 кгс/см² соответственно. Предлагаемый сплав проявляет нечувствительность к концентраторам напряжений σ_гл/σ _н≥ 1 во всем интервале рабочих температур.

Применение предлагаемого сплава для изготовления деталей газотурбинных двигателей позволяет повысить ресурс работы двигателей в 1,5-2 раза или повысить рабочую температуру двигателя на 50-60^оС.

Формула изобретения

ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ, содержащий углерод, хром, кобальт, молибден, вольфрам, ниобий, титан, алюминий, бор, цирконий, магний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит гафний и церий при следующем соотношении компонентов, мас.

Углерод 0,04 0,08
Хром 7,0 8,0
Кобальт 14,0 16,0
Молибден 1,8 2,5
Вольфрам 6,5 7,4
Ниобий 1,8 2,2
Титан 1,0 1,5
Алюминий 5,3 5,8
Бор 0,005 0,05
Цирконий 0,005 0,5
Церий 0,005 0,05
Гафний 0,2 0,8
Магний 0,001 0,08
Никель Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2