Жаропрочный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из этого сплава

 

Изобретение относится к области металлургии жаропрочных свариваемых сплавов на никелевой основе и изделий, выполненных из этих сплавов, для авиационной техники, машиностроения и народного хозяйства. Сплав обладает повышенными значениями рабочих температур пределов длительной прочности, выносливости и термостойкости и имеет следующий химический состав, мас.%: углерод 0,01-0,07, хром 20,0-30,0, кобальт 10,0-20,0, вольфрам 5,0-16,0, молибден 0,5-5,0, лантан 0,02-0,08, магний 0,02-0,10, титан 2-4, азот 0,5-2,0, никель - остальное. Техническим результатом изобретения является повышение рабочей температуры материала до 1300°С, увеличение характеристик длительной прочности, выносливости и термостойкости, что позволит повысить КПД применяемых в газотурбинных двигателях жаровых труб, экранов и т.д. на 5-10%, увеличить ресурс двигателя в 1,5-2 раза, снизить вес на 8-12%. 2 с.п. ф-лы, 2 табл.

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии жаропрочных свариваемых листовых сплавов на никелевой основе и может быть использовано для изготовления изделий в авиационной технике, машиностроении и в народном хозяйстве, например: жаровых труб камер сгорания, стабилизаторов пламени и других горячих деталей газотурбинных двигателей, работающих до температур 1300^oC.

В настоящее время в нашей стране и за рубежом широко применяются жаропрочные сплавы Heines 188 (1) и ЭИ 868 (2), которые используются в таких изделиях, как например, в деталях горячего тракта ГТД (жаровые трубы, экраны и т.д.).

Однако, уровень жаропрочности этих сплавов позволяет эксплуатировать их только до температур 1000-1050^oC, что ограничивает уровень технических характеристик изготовляемых из них изделий, делает их недостаточно эффективными.

Наиболее близким к предлагаемому сплаву является сплав ХН33КВ (ЭК 102, ВЖ 145), имеющий следующий химический состав, мас.%: (3) Углерод - 0,02 - 0,1 Хром - 20,0 - 25,0 Кобальт - 25,0 - 32,0 Вольфрам - 10,0 - 16,0 Алюминий - 0,2 - 0,7 элемент, выбранный из группы: Лантан - 0,01 - 0,1 Неодим - 0,01 - 0,1 Никель - Остальное
Сплав ХН33КВ работоспособен до 1000 - 1050^oC и обладает следующими свойствами:




Термостойкость (количество циклов до образования трещины) по режиму испытания 1000 ⇄ 200^oC - 100 циклов.

Температура эксплуатации данного сплава ограничена 1050^oC. Сплав не обладает достаточно высокими значениями длительной прочности, выносливости и термостойкости. Изделия, выполненные из этого сплава (жаровые трубы, экраны и т. д.), имеют относительно низкие температуры работы и, как следствие, не обладают нужным КПД. Кроме того, ресурс этих изделий ограничен.

Технической задачей данного изобретения является повышение рабочей температуры материала до 1300^oC, увеличение значений характеристик длительной прочности, термостойкости и выносливости, повышения КПД и ресурса работы изделий, выполненных из этого сплава.

Для достижения поставленной задачи предложен сплав следующего химического состава, мас.%:
Углерод - 0,01-0,07
Хром - 20,0-30,0
Кобальт - 10,0-20,0
Вольфрам - 5,0-16,0
Молибден - 0,5-5,0
Титан - 1,0-4,0
Лантан - 0,02-0,08
Магний - 0,02-0,08
Азот - 0,5-2,0
Никель - Остальное
Введение в состав сплава азота и титана позволяет путем проведения химико-термической обработки образовать в его структуре мелкодисперсные частицы нитридов титана, стойкие вплоть до температуры плавления матрицы и обеспечивающие высокую жаропрочность, термостойкость и выносливость сплава до температуры 1300^oC.

Молибден повышает силы межатомных связей в гранецентрированной кубической решетке γ-твердого раствора и увеличивает растворимость азота, а следовательно, жаропрочность и термостойкость сплава.

Магний улучшает состояние границ зерен за счет связи легкоплавких вредных примесей в соединениях с высокой температурой плавления.

Пример осуществления.

Плавки предлагаемого состава выплавлялись в вакуумно-индукционной печи ОКБ-736 и разливались в круглые конусные слитки весом по 17 кг.

От слитков отрезалась головные и донные части и затем они ковались на прессе на сутунки толщиной 25 мм.

Сутунки нагревались в термической печи до температуры 1140^oC - выдержка 2 часа и прокатывались на листы толщиной 1,5 мм.

Листы подвергались химико-термической обработке для образования в их структуре упрочняющих нитридов титана.

Химический состав приведен в табл. 1.

Из горячекатаных листов вырезались образцы, на которых проводились испытания на длительную прочность (ГОСТ 10145-81), выносливость (ГОСТ 25502) и термостойкость (методика ГП ГНЦ ВИАМ).

Результаты испытаний приведены в таблице 2.

Из данных таблицы 2 следует, что предложенный сплав имеет рабочую температуру на 200-300^oC выше, чем у прототипа, и существенно превосходит последний по длительной прочности и термостойкости. Применение предлагаемого сплава позволит повысить рабочую температуру изделия до 1300^oC, повысить пределы сточасовой длительной прочности в области температур 1000-1200^oC в 2,6-4 раза, увеличить в 2 раза при испытании на термостойкость число циклов при испытании по режиму 1100^o ⇄ 200^oC и повысить значение предела выносливости на 15%.

Изделия, выполненные из предлагаемого сплава, например жаровые трубы камер сгорания, стабилизаторы пламени, экраны и другие детали ГТД, могут работать до температуры 1300^oC, обладают повышенным ресурсом работы (в 1,5 - 2 раза) и КПД (на 5-10%), более низким весом (на 8-12%). Все это позволит применять их на двигателях нового поколения.

Литература
1. Journal of Metals v. 9, p. 58.

2. ТУ 14-1-146-71.

3. Авторское свидетельство СССР N 1072501, МКИ C 22 C 19/00, Б.И. N 40, 1990 г.

Формула изобретения

1. Жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, лантан, отличающийся тем, что дополнительно содержит молибден, титан, магний и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,01 - 0,07
Хром - 20,0 - 30,0
Кобальт - 10,0 - 20,0
Вольфрам - 5,0 - 16,0
Молибден - 0,5 - 5,0
Лантан - 0,02 - 0,08
Магний - 0,02 - 0,10
Титан - 2 - 4
Азот - 0,5 - 2,0
Никель - Остальное
2. Изделие, выполненное из жаропрочного сплава на основе никеля, отличающееся тем, что сплав имеет следующий химический состав, мас.%:
Углерод - 0,01 - 0,07
Хром - 20,0 - 30,0
Кобальт - 10,0 - 20,0
Вольфрам - 5,0 - 16,0
Молибден - 0,5 - 5,0
Лантан - 0,02 - 0,08
Магний - 0,02 - 0,10
Титан - 2 - 4
Азот - 0,5 - 2,0
Никель - Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1