Литейный жаропрочный сплав на основе никеля

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам на никелевой основе, предназначенным для изготовления отливок, например, рабочих и сопловых лопаток газотурбинных двигателей с равноосной и направленной структурой. Сплав содержит следующие компоненты, мас.%: углерод 0,05-0,2, хром 7,0-14,0, кобальт 8,0-15,0, вольфрам 9,0-12,0, молибден 0,7-3,0, ниобий 0,5-4,0, титан 1,0-4,0, алюминий 4,0-6,0, бор 0,0005-0,07; цирконий 0,01-0,10, церий 0,002-0,025, иттрий или скандий 0,0013-0,0085, никель остальное при соблюдении условия: % Ce : % иттрия или скандия = 1,5-3,0. 1 табл.

Предлагаемое изобретение относится к композиции литейного жаропрочного сплава на никелевой основе, предназначенного для изготовления отливок, например рабочих и сопловых лопаток газотурбинных двигателей, с равноосной и направленной структурой, работающих в условиях высоких температур и напряжений.

Возрастающие требования к материалам высоконагруженных авиационных двигателей потребовали разработки литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе, длительно работающих при температурах до 1050^oC в качестве лопаток турбины. Это связано с тем, что повышение рабочих температур одно из основных направлений увеличения мощности газотурбинного двигателя. За счет подбора определенного соотношения легирующих компонентов: вольфрама, хрома, ниобия, титана, алюминия и др. удалось получить сплавы с весьма высокими жаропрочными свойствами (пределом длительной прочности и пределом ползучести).

Однако с возрастанием рабочих температур в газотурбинном двигателе интенсифицируется процесс теплопередачи от рабочей среды к лопаткам газовой турбины и увеличивается теплонапряженность. Это приводит к тому, что в общем числе повреждений лопаток газовой турбины, вызываемых процессами ползучести, статическими, циклическими, ударными и другими нагрузками, возрастает относительная доля повреждений от термоциклических нагрузок (термической усталости). При этом термоциклические повреждения поверхностных слоев лопаток обычно является причиной возникновения первых очагов разрушения, инициирующих дальнейшее развитие трещин от действия статических и циклических усилий.

Таким образом, работоспособность материала лопаток высоконагруженных газотурбинных двигателей определяется требуемым уровнем не только жаропрочных, но и термоусталостных свойств, поскольку в газотурбинных двигателях основная роль принадлежит нестационарным режимам, при которых в лопатках создаются экстремальные напряжения и тепловые состояния, оказывающие определяющее влияние на процесс разрушения.

Известен литейный жаропрочный сплав по патенту США N 4459160, кл. 148-3 от 10.07.1984.

Сплав имеет следующий химический состав (% мас.): Углерод 0,015-0,05 Хром 8-10 Кобальт 3-7 Вольфрам 9-11 Тантал 2,25-3,2 Титан 1,7-2,6 Алюминий 5,25-2,75 Гафний 0-0,5 Бор 0-0,01
Цирконий 0-0,05
Никель Остальное
Как показали дополнительные исследования, данный сплав имеет довольно высокий уровень жаропрочных свойств: при температуре 975^oC и напряжении 20 кгс/мм² время до разрушения составляет 70-110 часов. Однако данный сплав обладает невысокими термоусталостными свойствами.

Наиболее близким по составу к предлагаемому сплаву является литейный жаропрочный сплав MAR-M200 по патенту Великобритании N 917818. Сплав имеет следующий химический состав (% мас.):
Углерод 0,02-0,30
Хром 6-17
Кобальт 2-15
Вольфрам 9-14
Молибден до 3
Ниобий 0,25-3
Титан до 5
Алюминий 2-8
Железо до 5
Бор 0,001-0,20
Цирконий 0,001-0,20
Никель Остальное.

Анализ свойств сплава, приведенных в примерах описания патента N 917818 показывает, что при температуре 1038^oC 100-часовой предел длительной прочности на лучших плавках равен 10,5-12 кгс/мм². Дополнительная проверка показала, что время до разрушения при 975^oC и напряжении 20 кгс/мм² составляет 80-120 часов, а при 1050^oC и напряжении 11 кгс/мм² 100-150 часов. При комнатной температуре предел прочности этого сплава равен 85-105 кгс/мм², относительное удлинение 2,5-4% Как видно, сплав MAR-М200 имеет довольно высокий уровень жаропрочных свойств, однако, как показали дополнительные исследования, термоусталостные характеристики сплава при циклическом характере теплового и механического воздействия невысокие. Число циклов до разрушения (долговечность) при испытании на термоусталость составило 150-200 циклов (режим термического цикла: Т_макс=1000^oC, Т_мин=500^oC, выдержка τ при Т_макс=7 мин, упругопластическая деформация De=1,0%). Нестационарные температурные поля, возникающие при многократных пусках и остановках газотурбинных двигателей, вызывали в лопатках из данного сплава высокие уровни термических напряжений, приводящих к появлению на лопатках термоусталостных трещин.

Таким образом, требовалось разработать литейный жаропрочный сплав, который сочетал бы в себе высокий уровень жаропрочных и термоусталостных свойств для успешного применения в современных высоконагруженных газотурбинных двигателях.

Поставленная задача была достигнута тем, что литейный жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, ниобий, титан, алюминий, бор, цирконий, дополнительно содержит церий и один элемент из группы, включающей иттрий и скандий, при следующем соотношении компонентов в сплаве, мас.

Углерод 0,05-0,20
Хром 7,0-14,0
Кобальт 8,0-15,0
Вольфрам 9,0-12,0
Молибден 0,7-0,3
Ниобий 0,5-4,0
Титан 1,0-4,0
Алюминий 4,0-6,0
Бор 0,005-0,07
Цирконий 0,01-0,10
Церий 0,002-0,025
Один элемент из группы, включающей иттрий и скандий 0,0013-0,0085
Никель Остальное
и при соблюдении условия, что отношение концентрации церия в сплаве к концентрации в нем одного элемента из группы, включающей иттрий и скандий, составляет 1,5-3,0.

Нами было установлено, что термоусталостные свойства литейного жаропрочного сплава на основе никеля зависят от формы первичных карбидов МС, образующихся в металле в процессе кристаллизации отливки. В случае, если карбиды выделяются в виде неблагоприятной грубой дендритной формы (шрифтовые карбиды), то при этом термоусталостные свойства невысокие. Напротив, если карбиды имеют глобулярную форму, то вышеуказанные характеристики заметно повышаются.

Нами было установлено, что при введении в жаропрочные никелевые сплавы редкоземельных металлов (РЗМ), они могут взаимодействовать с углеродом сплава и образовывать при кристаллизации расплава зародыши, на которых как на подложке РЗМ-С образуются карбиды МС, параметры решеток которых наиболее близки к параметрам решетки карбида с РЗМ.

Однако не все РЗМ могут образовывать при кристаллизации расплава зародыши в виде карбидов РЗМ. Так, карбиды Ce₂C₃ образуются при температуре ниже 1000^oC, т. е. ниже температуры солидуса сплава, которая равна 1310^oC и поэтому, вероятно, не могут являться зародышами для образования карбидов МС. В этом случае образуются карбиды шрифтовой морфологии.

Нами было установлено, что в случае введения в данный сплав одного элемента из группы, включающей иттрий и скандий при соблюдении вышеуказанного условия, в металле образуются карбиды глобулярной формы. Карбид YC и карбид ScC образуются при температуре свыше 1500^oC, т.е. температуры ликвидуса сплава, равной 1380^oC. Образующиеся в расплаве карбиды YC или ScC являются, вероятно, подложкой для зарождения на них при кристаллизации карбидов МС, что облегчает более ранние условия их зарождения и способствует выделению карбидов МС в благоприятной глобулярной форме.

За счет создания в металле с иттрием или скандием карбидов МС глобулярной формы повышаются термоусталостные свойства сплава. Это связано, вероятно, с тем, что литые детали с глобулярной формой карбидов МС имеют наиболее удачную структуру с точки зрения сопротивления термическим нагрузкам: структура материала с карбидами глобулярной формы обладает высокой сопротивляемостью начала развития трещин термоусталости, тогда как карбиды игольчатой (шрифтовой) формы, по свей видимости, представляют собой концентраторы напряжений и являются источником зарождения такой термоусталостной трещины.

Роль РЗМ церия, иттрия и скандия при этом различная. Церий вводится в сплав для повышения жаропрочных свойств. Являясь поверхностно-активным металлом и располагаясь на границах раздела упрочняющих фаз g-γʹ, а также на границах зерен, церий замедляет диффузионные процессы в сплаве при высоких температурах и тем самым повышает жаропрочные свойства. Одновременно церий является хорошим раскислителем и десульфуратором, обеспечивая нейтрализацию в металле вредных примесей кислорода и серы. Такая двоякая роль церия в сплаве требует повышенного его количества при введении в металл. В отличие от церия, введение в сплав в сочетании с ним иттрия или скандия позволяет образовывать в расплаве зародыши подложки из карбида YC или ScC, на которых при кристаллизации образуются.

первичные карбиды МС глобулярной формы, т.е. иттрий и скандий имеют одноцелевое назначение.

Нами установлено, что количество вводимого иттрия или скандия должно быть в 1,5-3,0 раза меньше, чем количество вводимого церия. Только при таком соотношении можно обеспечить в сплаве сочетание хороших жаропрочных и термоусталостных свойств, что практически подтверждается проведенными экспериментами.

Действительно, как нами было установлено, иттрий или скандий образуют в расплаве подложки из карбидов YC, ScC только в том случае, если они находятся в растворе, в свободном несвязанном состоянии. В случае присутствия в сплаве повышенного (более 0,0085%) количества иттрия или скандия элемент образует в металле соединения в виде оксидов и интерметаллидов, при этом зародыши из карбидов YC или ScC не образуются: при кристаллизации выделяются карбиды шрифтовой морфологии, термоусталостные свойства металла остаются на низком уровне, т. е. как у металла, в который иттрий или скандий вообще не вводили.

Пример.

Сплав выплавляют в вакуумных индукционных печах при разрежении 10^-2-10^-3 мм рт.ст. и заливают в чугунные кокили. Полученные заготовки переплавляют в вакуумных порционных печах и заливают горячие оболочковые формы, приготовленные по выплавляемым моделям. Таким образом получают отливки с равноосной структурой. Однако из предлагаемого сплава можно получать отливки и с направленной структурой. В этом случае полученные после вакуумной индукционной плавки заготовки переплавляют в проходных методических печах или плавильно-заливочных установках направленной кристаллизации.

В вакуумной индукционной печи емкостью 100 кг были выплавлены различные композиции предлагаемого сплава. Химический состав, структура карбидов МС и свойства сплава с равноосной и направленной структурой приведены в таблице. Плавки 1-8 были выплавлены при соблюдении соотношения компонентов в предлагаемом сплаве и при соблюдении условия: Ce Y(Sc) 1,5 3,0. Плавки 1-6 выплавлены с равноосной структурой, плавки 7,8 с направленной структурой.

Как видно, все восемь плавок имеют высокие жаропрочные свойства при температурах 975 и 1050^oC и высокие термоусталостные свойства.

Плавки 9, 10 были выплавлены также при соблюдении соотношения компонентов в предлагаемом сплаве, но с отклонением условия Се: Y ниже нижнего (1,2) и выше верхнего (3,5) значений. В этом случае, как и ранее получены высокие жаропрочные свойства сплава, однако термоусталостные свойства сплава заметно снизились.

Для сравнения была выплавлена плавка 11 в соответствии с прототипом - патентом Великобритании N 917818 по среднему составу с равноосной структурой. Видно, что жаропрочные свойства данной плавки находятся на уровне жаропрочности плавок 1-6, однако термоусталостные свойства получены низкие (п= 200 циклов). Во все плавки, в которые ввели иттрий или скандий в заявленном соотношении в структуре наблюдались карбиды глобулярной формы: в плавке 11, а также в плавках 9, 10, в которых было нарушено заявленное соотношение между церием и иттрием (скандием), наблюдались карбиды МС шрифтовой (игольчатой) формы.

Жаропрочные свойства предлагаемого сплава в отливках с равноосной структурой следующие:
время до разрушения при температуре 975^oC и напряжении 20 кгс/мм² составляет 90-135 часов, при температуре 975^oC и напряжении 23 кгс/мм² время до разрушения составляет 60-70 часов, при температуре 1050^oC и напряжении 11 кгс/мм² 105-160 часов, т.е. как у известного сплава. При комнатной температуре предел прочности сплава составляет 89-105 кгс/мм², относительное удлинение 4,0-7,5% ударная вязкость 1,5-3,0 кгс м/см². Жаростойкость по привесу за время 300 часов при 1000^oC составляет 7-9 г/м². Число циклов до разрушения долговечность при испытании на термоусталость равно 620-700 циклов (режим термического цикла: T_макс=1000^oC, T_миним=500^oC, выдержка при Т_макс-7 мин, упругопластическая деформация Δε=1,0%
Жаропрочные свойства предлагаемого сплава в отливках с направленной структурой следующие:
время до разрушения при температуре 975^oC и напряжении 20 кгс/мм² составляет 195-210 часов, при температуре 975^oC и напряжении 23 кгс/мм² 125-135 часов, при температуре 1050^oC и напряжении 11 кгс/мм² 220-240 часов. Число циклов до разрушения - долговечность при испытании на термоусталость равно 1250-1350 циклов. Дополнительное повышение термоусталостных свойств связано с особенностями характера разрушения сплава, отлитого методом направленной кристаллизации, при которой границы зерен вытянуты в продольном направлении и поэтому трещина развивается всегда по телу зерна.

Таким образом, предлагаемый сплав обладает высокой термической усталостью, в 3-4 раза превышающей сплав-прототип по патенту Великобритании N 917818, а по уровню жаропрочности он находится на уровне прототипа. За счет более высокой термической усталости предлагаемого сплава можно в 2-3 раза увеличить ресурс работы двигателей, например рабочих и сопловых лопаток газотурбинных авиационных двигателей.

Формула изобретения

Литейный жаропрочный сплав на основе никеля для деталей газотурбинных двигателей с равноосной и направленной структурой, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, ниобий, титан, алюминий, бор и цирконий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит церий и один элемент, выбранный из группы, содержащей иттрий и скандий, при следующем соотношении компонентов, мас.

Углерод 0,05 0,2
Хром 7,0 14,0
Кобальт 8,0 15,0
Вольфрам 9,0 12,0
Молибден 0,7 3,0
Ниобий 0,5 4,0
Титан 1,0 4,0
Алюминий 4,0 6,0
Бор 0,005 0,07
Цирконий 0,01 0,10
Церий 0,002 0,025
Один элемент из группы, включающей иттрий и скандий 0,0013 0,0085
Никель Остальное
при условии Ce одного элемента из группы, включающей иттрий и скандий 1,5 3,0.

QB4A Регистрация лицензионного договора на использование изобретения

Лицензиар(ы): Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ")

Вид лицензии*: НИЛ

Лицензиат(ы): Открытое акционерное общество "Уральская кузница" (ОАО "Уралкуз")

Договор № РД0035902 зарегистрирован 12.05.2008

Извещение опубликовано: 20.06.2008        БИ: 17/2008

* ИЛ - исключительная лицензия        НИЛ - неисключительная лицензия

QZ4A - Регистрация изменений (дополнений) лицензионного договора на использование изобретения

Лицензиар(ы): Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ")

Вид лицензии*: НИЛ

Лицензиат(ы): Открытое акционерное общество "Уральская кузница" (ОАО "Уралкуз")

Характер внесенных изменений (дополнений):
Договор расторгнут по взаимному согласию сторон

Дата и номер государственной регистрации договора, в который внесены изменения:
12.05.2008 № РД0035902

Извещение опубликовано: 10.09.2009        БИ: 25/2009

* ИЛ - исключительная лицензия НИЛ - неисключительная лицензия