Жаропрочный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него

 

Изобретение относится к металлургии жаропрочных литейных сплавов на никелевой основе и изделиям, таким как литые сегменты труб камер сгорания (Т ≥ 1827^oС) авиационных двигателей и другие детали авиационной техники, машиностроения и народного хозяйства. Сплав обладает повышенной жаропрочностью при температурах 1200 и 1250°С, термостойкостью, кратковременной прочностью и пластичностью при комнатной температуре при сохранении уровня плотности ≅ 8000 кг/м³. Сплав и изделие из него содержат следующие компоненты, мас.%: Аl 9,2 - 9,8, Cr 5,5 - 6,5, Mo 2,0 - 3,0, W 3,0 - 4,0, Ti 1,3 - 2,0, Co 2,0 - 3,0, С 0,001-0,02, La 0,0015-0,015, Се 0,003-0,025, Ni - остальное. 2 с.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к металлургии сплавов, в особенности к литейным жаропрочным сплавам на основе никеля и изделиям, таким как, например, литые сегменты жаровых труб перспективных высокотемпературных камер сгорания (T ≥ 1827^oC) авиационных ГТД различного назначения и других деталей аэрокосмической техники, эксплуатирующихся длительно при температуре 1200^oC и выше в агрессивных окислительных средах.

Широко известны сплавы на основе никеля, отличающиеся высокой жаростойкостью, низкой плотностью и удовлетворяющей жаропрочностью в интервале температур 1100 - 1200^oC на базах 100 часов.

Так, например, известен жаропрочный сплав на основе никеля [1] состава, мас.%: Al - 8,0 - 9,0 Cr - 5,0 - 6,0 Mo - 2,5 - 4,5 W - 2,0 - 4,0 Ti - 1,0 - 2,0 Hf - 0,4 - 0,6 C - 0,007 - 0,04 Fe - 0,5 - 1,5 Si - 0,4 - 1,2
Ni - остальное
Известен жаропрочный сплав на основе никеля [2] состава, мас.%:
Al - 7,8 - 9,5
Cr - 5,0 - 7,0
Mo - 3,0 - 4,3
W - 2,7 - 4,5
Ti - 1,3 - 2,0
Zr - 0,005 - 0,04
C - 0,001 - 0,02
Ni - остальное
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является жаропрочный сплав на основе никеля [3], имеющий состав, мас.%:
Al - 7,8 - 9,0
Cr - 4,5 - 5,5
Mo - 4,5 - 5,5
W - 1,8 - 2,5
Ti - 0,6 - 1,2
Co - 3,5 - 4,5
C - 0,007 - 0,02
La - 0,0015 - 0,015
Ni - остальное
Недостатками этих сплавов являются неудовлетворительная жаропрочность при температурах 1200 и 1250^oC, недостаточная прочность и пластичность при 20^oC и жаростойкость при температурах 1200 и 1250^oC в условиях циклических нагревов и охлаждений со скоростью ~ 1000^oC/мин, что приводит к растрескиванию изделий при термоциклических нагрузках и ограничивает их надежность.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение жаростойкости сплава на основе никеля при температурах 1200 и 1250^oC, термостойкости, кратковременной прочности и пластичности при комнатной температуре при сохранении уровня плотности ≅ 8000 кг/м³. Изделие из этого сплава имеет повышенные характеристики прочности и надежности. Для достижения поставленной задачи предлагаются жаропрочный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него. Сплав имеет следующий химический состав, мас.%:
Al - 9,2 - 9,8
Cr - 5,5 - 6,5
Mo - 2,0 - 3,0
W - 3,0 - 4,0
Ti - 1,3 - 2,0
Co - 2,0 - 3,0
C - 0,001 - 0,02
La - 0,0015 - 0,015
Ce - 0,003 - 0,025
Ni - остальное
Сплав обладает повышенной жаропрочностью при температурах 1200 и 1250^oC (σ¹²⁰₁₀₀⁰ ≥ 5,0 кгс/мм², σ¹²⁰₅₀₀⁰ ≥ 3,0 кгс/мм², σ¹²⁵₁₀₀⁰ ≥ 2,1 кгс/мм²), кратковременной прочностью и пластичностью при комнатной температуре (σ²_в⁰ ≅ 85,0 кгс/мм², δ ≥ 29%) и высоким сопротивлением циклическому окислению в воздушной среде при температуре 1200^oC. Главным при этом является прочность сцепления оксидной пленки с основой при циклических нагрузках.

Авторами было установлено, что совместное легирование сплава небольшими добавками лантана и церия не только повышает прочность связи оксидной пленки с основой при высоких температурах и высоких скоростях нагревов, но и упрочняют межфазные границы и границы субструктуры за счет образования в объеме дисперсных тугоплавких частиц типа LaNi₅ и CeNi₅, в которых частично растворяется алюминий. Это приводит к росту пределов длительной прочности при температурах 1200 и 1250^oC. Небольшое повышение содержания вольфрама при некотором снижении содержания кобальта и молибдена приводит к упрочнению твердого раствора основы при высоких температурах за счет снижения скорости диффузионных процессов, что также приводит к росту жаропрочности.

Изменение состава предлагаемого сплава по сравнению со сплавом, взятым за прототип, не привело к заметному росту плотности, что удовлетворяет условиям поставленной технической задачи.

Шихтовую заготовку из предлагаемого сплава различных составов выплавляют из чистых шихтовых материалов в вакуумной индукционной печи с тиглем из основной футеровки. После разливки сплавов в кокили ⊘ 60 мм отбирали стружку на химический анализ. Содержание легирующих элементов определяли по стандартным методикам. Результаты химического анализа составов сплавав приведены в таблице 1.

Образцы ⊘ 16 мм и длиной 150 мм получали методом направленной кристаллизации в вакууме 1,5 - 2,5 · 10³ мм рт.ст. по следующим режимам:
- температура заливаемого металла 1560 ± 20^oC;
- температура формы 1540 - 1560^oC.

Направленная кристаллизация при получении образцов и деталей с качественной структурой осуществлялась одновременно с заливкой жидкого металла в формы, которые вытягивались из кристаллизатора со скоростью 8 - 10 мм/мин при градиенте температур на фронте кристаллизации, равным 60 - 80^o/см.

Для устранения внутренних напряжений в отливках применялось их термостатирование в керамических формах из Al₂O₃ при температуре 1200 ± 10^oC и τ = 10 - 20'. Поверхность образцов и деталей контролировалась путем выявления макроструктуры травлением в смеси соляной кислоты и перекиси водорода. Установлено, что при этих условиях заливки расплава и кристаллизации образцы и детали размером 50 х 100 х 5 мм не имеют нежелательных макрозерен вдоль направления роста, а также пор и рыхлот. Это свидетельствует о способности к получению качественной бездефектной направленной структуры.

Литейные свойства сплавав определялись путем заливки керамических форм со стержнями различного сечения. Установлено, что сплав обладает хорошей жидкотекучестью в вакууме. Из него получены для ресурсных испытаний сегменты жаровых труб без пор и рыхлот в соответствии с требованиями ТЗ.

С целью повышения прочности и жаростойкости при комнатной и высоких температурах, а также стабильности свойств литые полуфабрикаты и детали термообрабатывали на воздухе по следующему режиму:
отжиг при температуре 1000 ± 20^oC в течение 25 часов, охлаждение на воздухе;
старение при температуре 500 ± 20^oC в течение 50 часов, охлаждение на воздухе.

Свойства образцов предлагаемого сплава в различным соотношением компонентов и сплава-прототипа приведены в таблице 2.

Из таблицы 2 видно, что свойства жаропрочного сплава на основе никеля с химическим составом I, II, III (табл. 1) выше, чем свойства известного сплава-прототипа. Так, квота превосходства предела кратковременной прочности при комнатной температуре предлагаемого сплава перед сплавом-прототипом составляет 10%, пластичности при комнатной температуре 100%, сточасовой длительной прочности при температуре 1200^oC 20 - 25%; пятичасовой длительной прочности при этой же температуре 65 - 70%. Квота превосходства сточасовой длительности прочности при температуре 1250^oC предлагаемого сплава перед сплавом-прототипом составляет ~ 160%, по сопротивлению циклическому окислению при температуре 1200^oC до разрушения защитной оксидной пленки квота превосходства составляет 400 - 500%.

Сплав с положительным результатом опробован для отливки сегментов жаровых труб проектируемых перспективных камер сгорания авиационных ГТД, что позволяет испытать его в технологических изделиях. Применение сплава обеспечивает проектируемые параметры новых изделий с повышенным КПД, сроком службы и надежности.

Установлено, что предлагаемый сплав может быть использован также в высокотемпературных композиционных материалах в качестве металлической связующей для монокристаллических волокон из Al₂O₃. Эксперименты по заливке в вакууме при температурах 1650 - 1700^oC показали, что предлагаемый сплав химически и металлургически совместим с монокристаллическими волокнами Al₂O₃.

Предлагаемый сплав на основе никеля имеет простой химический состав, не имеет дефицитных и дорогостоящих легирующих элементов, таких как тантал и рений, что обеспечивает низкую стоимость выпуска этого сплава по сравнению с промышленными никелевыми сплавами. Он также обладает низкой плотностью ≅ 8000 кг/м³, высокой жаростойкостью и жаропрочностью при температурах 1200 - 1250^oC, что позволяет снизить вес деталей и увеличить срок их службы в 3 - 4 раза. Высокое сопротивление циклическим нагревом повышает надежность деталей и увеличивает их ресурс до первого ремонта. По экологической оценке предлагаемого материала условия его выплавки соответствуют промышленным никелевым сплавам и 60% отхода идет в передел.

Литература
1. Патент РФ N 1607422 кл. C 22 C 19/03.

1. Патент РФ N 2078443 кл. C 22 C 19/05.

1. Патент РФ N 2114206 кл. C 22 C 19/05.

Формула изобретения

1. Жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий алюминий, хром, молибден, вольфрам, титан, кобальт, углерод, лантан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Al - 9,2 - 9,8
Cr - 5,5 - 6,5
Mo - 2,0 - 3,0
W - 3,0 - 4,0
Ti - 1,3 - 2,0
Co - 2,0 - 3,0
C - 0,001 - 0,02
La - 0,0015 - 0,015
Ce - 0,003 - 0,025
Ni - Остальное
2. Изделие, выполненное из жаропрочного сплава на основе никеля, отличающееся тем, что выполнено из сплава следующего химического состава, мас.%:
Al - 9,2 - 9,8
Cr - 5,5 - 6,5
Mo - 2,0 - 3,0
W - 3,0 - 4,0
Ti - 1,3 - 2,0
Co - 2,0 - 3,0
C - 0,001 - 0,02
La - 0,0015 - 0,015
Ce - 0,003 - 0,025
Ni - Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2