Литейный жаропрочный сплав на основе никеля

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам на основе никеля, используемым для наплавки деталей, работающих на истирание в условиях высоких температур при воздействии значительных циклических и контактных нагрузок, например, лопаток газотурбинных двигателей (ГТД). Задачей изобретения является повышение исходной твердости сплава при работе в условиях высоких температур. Для решения поставленной задачи известный сплав, содержащий углерод, хром, титан, алюминий, кобальт, ниобий, вольфрам, молибден, лантан, железо, гафний, бор, церий, иттрий, никель - остальное дополнительно содержит тантал и рений при следующем соотношении, мас.%: углерод 0,12-0,18, хром 4,3-5,6, титан 0,9-1,3, алюминий 5,65-6,25, кобальт 8,0-10,0, ниобий - 4,0-4,8, вольфрам 10,9-12,5, молибден 2,5-3,5, железо 0,1-1,0, лантан 0,005-0,05, гафний 0,01-0,1, бор 0,005-0,016, церий 0,005-0,025, иттрий 0,005-0,025, тантал 0,15-0,35, никель - остальное. 1 табл.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам на основе никеля, используемым для наплавки деталей, работающих на истирание в условиях высоких температур при воздействии значительных циклических и контактных нагрузок, например, газотурбинных двигателей (ГТД).

Известен литейный сплав на основе никеля, содержащий следующие компоненты в мас. хром 11,0-14,0, кобальт 1,0-6,0, молибден 0,5-1,4, вольфрам 3,0-4,8, титан 5,0-6,3, алюминий 4,0-5,0, ниобий 0,3-0,7, церий 0,02-0,05, железо 0,2-2,5, кальций 0,01-0,03, бор 0,01-0,2, углерод 0,1-0,16, никель - остальное. Сплав стабилен при работе в условиях относительно высоких температур при сохранении высокого уровня коррозионной стойкости. К недостаткам сплава следует отнести пониженную стойкость сплава к износу при температурах свыше 900^oC.

Наиболее близким сплавом к заявляемому является литейный жаропрочный сплав ЖС26У, содержащий следующие компоненты в мас. углерод 0,12-0,18, хром 4,3-5,6, титан 0,9-1,3, алюминий 5,65-6,25, кобальт 8,0-10,0 ниобий 4,04-4,8, вольфрам 10,9-12,5, молибден 0,8-1,4, лантан 0,005-0,05, железо 1,0, гафний 0,1, бор 0,015, церий 0,025, иттрий 0,025, никель остальное (см. ТУ 1-92-177-91). Из данного сплава отливают лопатки ГТД с направленной или монокристаллической структурой, которые имеют высокие служебные свойства. Однако в процессе эксплуатации при высоких температурах (свыше 900^oC) контактные поверхности деталей подвержены значительном износу, что ведет к появлению зазоров, потере натяга и, как следствие, к разбандажированию лопаток ГТД, что ведет к потере мощности двигателя.

Задачей изобретения является повышение исходной твердости сплава при работе в условиях высоких температур.

Для решения поставленной задачи известный сплав, содержащий углерод, хром, титан, алюминий, кобальт, ниобий, вольфрам, молибден, лантан, железо, гафний, бор, церий, иттрий, никель остальное дополнительно содержит тантал и рений при следующем соотношении, мас. углерод 0,12-0,18, хром 4,3-5,6, титан 0,9-1,3, алюминий 5,65-6,25, кобальт 8,0-10,0, ниобий 4,0-4,8, вольфрам 10,9-12,5, молибден 2,5-3,5, железо 0,1-1,0, лантан 0,005-0,05, гафний 0,01-0,1, бор 0,005-0,015, церий 0,005-0,025, иттрий 0,005-0,025, тантал 0615-0,35, рений 0,15-0,35, никель остальное.

Добавление к жаропрочному известному сплаву тантала и рения в заявляемых интервалах способствует измельчению зерна, повышению стойкости наплавленного металла против образования горячих трещин при сварке, увеличению твердости, жаропрочности и механической стойкости, снижению чувствительности к охрупчиванию в интервале рабочих температур.

Увеличение содержания ниобия способствует повышению твердости, жаропрочности и термической стойкости за счет упрочнения границ зерен, образования интерметаллидных и карбидных мелкодисперсных фаз.

Увеличение содержания молибдена способствует повышению стойкости наплавленного металла против образования горячих трещин при сварке. Молибден и вольфрам обладают самыми низкими коэффициентами диффузии, и поэтому они являются самыми сильными упрочнителями γ -твердого раствора (аустенитной матрицы).

Комплексное легирование предлагаемого сплава рением, танталом и ниобием способствует повышению исходной и горячей твердости, жаропрочности и термической стойкости наплавленного металла, а также стойкости против высокотемпературной фреттинг-коррозии, поскольку в сплаве образуются упрочняющие g -фазы Ni₃Nb, Ni₃Ta, которые в ряду упрочняющих фаз Ni₃ (Al, Ti, Nb, Ta) обладают наибольшей устойчивостью от разупрочнения под воздействием высоких температур и напряжений. Кроме того, ниобий и тантал образуют в сплаве устойчивые карбиды, которые трудно разупрочняются вплоть до температур 1200-1260^oC.

Предлагаемый сплав целесообразно выплавлять из чистых шихтовых материалов индукционным способом в вакууме с последующей вакуумной разливкой. Заготовку выполняют в виде прутков заливкой в керамические формы, получаемые по выплавляемым моделям. Из заготовок прутков делают пластины для наплавки на контактные поверхности бандажных полок лопаток турбины ГТД.

Для апробации сплава были выплавлены три состава, содержащие следующие компоненты в мас.

Состав 1: углерод 0612, хром 4644, титан 0,82, алюминий 5,61, кобальт 8615, ниобий 4,11, вольфрам 10,93, молибден 2,54, железо 0,41, лантат 0,008, гафний 0,011, бор 0,005, церий 0,005, иттрий 0,005, тантал 0,17, рений 0,16, никель остальное.

Состав 2: углерод 0,15, хром 4,97, титан 2,03, алюминий 5,84, кобальт 9,01, ниобий 4676, вольфрам 12,41, молибден 3,03, железо 0,54, лантан 0,026, гафний 0,052, бор 0,01, церий 0,015, иттрий 0,015, тантал 0,21, рений 0,22, никель остальное.

Состав 3: углерод 0,18, хром 5656, титан 1,21, алюминий 6,26, кобальт 9,94, ниобий 4,76, вольфрам 12641, молибден 3,45, железо 0,98, лантан 0,05, гафний 0,1, бор 0,015, церий 0,023, иттрий 0,024, тантал 0,34, рений 0,35, никель остальное.

Проводилась наплавка сплавов указанных составов на рабочие лопатки турбины из сплавов ЭИ437Б, ЖС26У, ЖС26 и ЖС6У по контактным поверхностям бандажных полок.

Наплавку проводили механизированной аргоно-дуговой сваркой с последующей механообработкой толщины наплавленного металла 0,8-1,1 мм с дозированием по времени, количеству и величине импульсов и кристаллизации наплавленного металла. Затем образцы отжигали в вакууме по режимам для лопаток турбин. В таблице 1 приведены свойства сплавов после литья и свойства наплаванного металла до и после термообработки.

Формула изобретения

Литейный жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, титан, алюминий, кобальт, ниобий, вольфрам, молибден, железо, лантан, гафний, бор, церий и иттрий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит тантал и рений при следующем соотношении компонентов, мас.

Углерод 0,12 0,18 Хром 4,3 5,6 Титан 0,9 1,3 Алюминий 5,65 6,25 Кобальт 8,0 10,0 Ниобий 4,0 4,8 Вольфрам 10,9 12,5 Молибден 2,5 3,5 Железо 0,1 1,0
Лантан 0,005 0,05
Гафний 0,01 0,1
Бор 0,005 0,015
Церий 0,005 0,025
Иттрий 0,005 0,025
Тантал 0,15 0,35
Рений 0,15 0,35
Никель Остальноер

РИСУНКИ

Рисунок 1

MM4A Досрочное прекращение действия патента из-за неуплаты в установленный срок пошлины заподдержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 16.06.2009

Дата публикации: 10.12.2011

---