Жаропрочный сплав на никелевой основе

 

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к жаропрочным сплавам на никелевой основе. Задачей изобретения является повышение жаропрочности и жаростойкости сплава при температурах более 900^oС. Сплав содержит следующие компоненты в мас.%: хром 3,8-4,7, кобальт 7,5-8,8, молибден 1,5-2,5, вольфрам 11,7-12,8, титан 1,2-1,8, алюминий 5,5-6,6, углерод 0,13-0,20, бор 0,01-0,02 церий 0,01-0,02, ниобий 0,8-1,4, рений 0,61-0,9, гафний 0,3-0,6, тантал 2,1-2,9, цирконий 0,013-0,3, неодим 0,013-0,02, никель - остальное. 3 табл..

Изобретение относится к металлургии, к никелевым жаропрочным сплавам.

Известны жаропрочные сплавы на никелевой основе, содержащие хром, алюминий, титан, молибден и вольфрам и др. Обладая высокими технологическими свойствами, они имеют недостаточно высокую сточасовую жаропрочность в интервале температур 1000-1100^oС [1] Все известные сплавы имеют предел сточасовой длительной прочности при 1000^oС не более 160-180 МПа, а при 1050^oС 80-90 МПа.

Наиболее близким аналогом заявляемого сплава является известный жаропрочный сплав ЖС6-К. Сплав ЖС6-К имеет следующий химический состав, мас.

Никель основа Хром 9,5-12,0 Кобальт 4,0-5,0 Молибден 3,5-4,8 Вольфрам 4,5-5,5 Титан 2,5-3,2 Алюминий 5,0-6,0 Углерод 0,13-0,20 Церий 0,015
Марганец ≅ 0,4
Кремний ≅ 0,4
Железо ≅ 2,0
Сера ≅ 0,015
Бор ≅ 0,02
Фосфор ≅ 0,015
Сплав ЖС6-К имеет предел сточасовой длительной прочности при 1000^oС - 150-160 МПа, а при 1050^oС 70-80 МПа [2]
Вышеприведенные жаропрочные свойства обеспечиваются только в результате термической обработки, что значительно усложняет технологический процесс изготовления отливок и повышает их себестоимость. Вместе с тем эти жаропрочные свойства сплава уже не удовлетворяют современным условиям эксплуатации турбинных двигателей, в связи с значительным увеличением их ресурса и повышением рабочей температуры.

Цель изобретения повышение жаропрочности и жаростойкости известного сплава при температурах выше 900^oС.

Цель достигается тем, что в сплав УГАТУ-1, содержащий вольфрам, хром, кобальт, молибден, титан, алюминий, углерод, бор введены ниобий, тантал, рений, гафний, цирконий, ниодим при следующем соотношении компонентов, мас.

Никель основа
Вольфрам 11,7-12,8
Кобальт 7,5-8,8
Алюминий 5,5-6,6
Хром 3,8-4,7
Тантал 2,1-2,9
Молибден 1,5-2,5
Титан 1,2-1,8
Ниобий 0,8-1,4
Рений 0,61-0,90
Гафний 0,03-0,60
Цирконий 0,013-0,3
Церий 0,010-0,020
Неодим 0,013-0,02
Бор 0,01-0,02
Углерод 0,13-0,20
Железо ≅ 0,4
Кремний ≅ 0,2
Марганец ≅ 0,2
Сера ≅ 0,005
Фосфор ≅ 0,005
Ограничение примесей в сплаве вызывается отрицательным влиянием их на жаропрочность и жаростойкость. Вместе с тем полное исключение их невозможно, так как они присутствуют в шихтовых материалах сплавах.

Сплав УГАТУ-1 готовился в вакуумных индукционных печах с электрокорундовым тигелем емкостью 15 кг при глубине вакуума 0,133 ГПа и при натекании 5·10^-4 м/с.

В качестве исходных шихтовых материалов для выплавки сплава применялись:
никель электролитический марки НО ГОСТ 849-70
хром марки ХО ГОСТ 5905-67
молибден металлический в штабиках ТУ 48-19-73-73
вольфрам металлический в штабиках ТУ 48-19-76-73
кобальт марки КТ ТУ 123-78
алюминий марки А99 ГОСТ 11069-64
тантал слитки ТУ 95-205-73
титан марки В1-00 ОСТ 1.90013-71
рений металлический марки Ре-2 РЭТУ 88-59
порошок циркониевый ПЦП-100 ТУ 14-8-88-73
церий С-Э1 ТУ48-4-227-72
ниобий в штабиках марки НБШОО ГОСТ 16100-70
гафний ГФМТ ТУ 48-4-203-72
бор в виде 10% лигатуры никельбор марки НБ1 ТУ 1425-3-71
углерод электродный графитовый бой, молотый с размером зерна 2-3 мм.

неодим марки НМ-1 РЭТУ 1097-63
Химический состав исследованных сплавов приведен в табл. 1.

Испытывались точнолитые образцы без последующей механической обработки. Форма и размеры образцов для испытаний на разрыв при комнатной и повышенных температурах и длительную прочность соответствовали ГОСТ 1497-61 и ГОСТ 10145-63 (L=25 мм, d=5 мм). Образцы для удаления ударной вязкости соответствовали ГОСТ 9454-60 (сечение 10·10 мм², L=55 мм, сечение расчетной части 8·10 мм²).

Исследование жаростойкости сплавов проводилось на плоских образцах с отшлифованными поверхностями. Степень жаростойкости определялась при температуре 1050^oС в течение 100 ч с точностью 1,25·10 кг. Результаты испытаний приведены в табл. 2 (испытания проводились на образцах без термической обработки).

Механические свойства сплава ЖС6-К приведены для сравнения в табл.3.

Средние значения пределов сточасовой длительной прочности сплавов УГАТУ-1 и ЖС6-К составляют соответственно при 1000^oС 23,3 и 15-16 МПа, при 1050^oС 15,4 и 7-8 МПа.

Сплав УГАТУ-1 может быть применен в литом состоянии (без термической обработки), так как в процессе охлаждения после кристаллизации он проходит цикл старения, при котором происходит почти полный распад твердого раствора.

Применение сплава УГАТУ-1 в промышленности позволит значительно повысить температуру и напряжение лопаток газовых турбин и, как следствие, увеличить мощность, ресурс и т.д. газотурбинных двигателей.

Литейный сплав УГАТУ-1 может быть рекомендован для изготовления сопловых венцов, цельнолитых роторов, сопловых и рабочих лопаток газовых турбин различного назначения, работающих при температурах 900-1090^oС.

Формула изобретения

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

Хром 3,8 4,7
Кобальт 7,5 8,8
Молибден 1,5 2,5
Вольфрам 11,7 12,8
Титан 1,2 1,8
Алюминий 5,5 6,6
Углерод 0,13 0,2
Бор 0,01 0,02
Церий 0,01 0,02
Ниобий 0,8 1,4
Рений 0,61 0,9
Гафний 0,3 0,6
Тантал 2,1 2,9
Цирконий 0,013 0,3
Неодим 0,013 0,02
Никель Остальноея

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2