Никелевый жаропрочный сплав для монокристального литья и изделие, выполненное из этого сплава

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам жаропрочных сплавов на основе никеля для монокристального литья и к изделиям, преимущественно рабочим и сопловым лопаткам газовых турбин, длительно работающих при температурах, превышающих 1000^oС. Сплав содержит следующие компоненты, мас.%: углерод - 0,001-0,05; хром - 2,0-3,0; кобальт - 9,5-11,0; титан - 0,1-1,2; алюминий - 5,5-6,2; вольфрам - 1,0-3,0; тантал - 6,0-9,0; рений - 8,0-11,0; ниобий - 0,6-2,6; бор - 0,001-0,02; церий - 0,001-0,02; лантан - 0,001-0,02; иттрий - 0,001-0,02, никель - остальное. Технический результат: сплав обладает высоким уровнем жаропрочности, технологичен при получении отливок лопаток методом направленной кристаллизации и не склонен к образованию поверхностных дефектов типа "струйной ликвации". Отливки не подвержены рекристаллизации при термической обработке. 2 с.п.ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным жаропрочным сплавам на основе никеля, предназначенным для производства методом направленной кристаллизации деталей, преимущественно монокристальных рабочих и сопловых лопаток, высокотемпературных газовых турбин, работающих длительно при температурах, превышающих 1000^oС.

Хорошо известны и нашли применение в качестве материала для монокристальных лопаток газовых турбин жаропрочные сплавы ЖС-36 (1) и CSMX-4 (2). Сплавы ЖС-36 и CSMX-4 представляют собой безуглеродистые монокристальные ренийсодержащие сплавы второго поколения.

Сплав ЖС-36 имеет следующий химический состав, мас.%: Хром - 2,5-5,5 Кобальт - 5,0-9,5 Алюминий - 5,0-6,2 Титан - 0,7-1,5 Молибден - 1,0-4,0 Вольфрам - 10,5-13,0 Тантал - 0,01-4,0 Рений - 1,0-2,6 Ниобий - 0,7-1,5
Иттрий - 0,002-0,075
Лантан - 0,001-0,05
Церий - 0,001-0,05
Празеодим - 0,002-0,01
Неодим - 0,0002-0,005
Гадолини - 0,0002-0,005
Скандий - 0,0002-0,005
Никель - Основа
Сплав предназначен для литья лопаток с монокристальной структурой, имеющих преимущественно кристаллографическую ориентацию [111]; в этой ориентации сплав имеет высокий уровень жаропрочности (σ¹⁰⁰⁰₁₀₀ = 31 кгс/мм²). Для лопаток, имеющих внутреннею полость охлаждения, более предпочтительной является кристаллографическая ориентация [001]; уровень характеристик жаропрочности этого сплава с ориентацией [001] недостаточно высок (σ¹⁰⁰⁰₁₀₀ = 25 кгс/мм²). Кроме того, легирование сплава большим количеством элементов с прямой ликвацией (W, Re) при относительно невысоком содержании в сплаве тантала ограничивает возможность производства из этого сплава монокристальных отливок на литейном оборудовании с невысоким градиентом на фронте кристаллизации из-за возможности образования поверхностных дефектов типа "струйной ликвации".

Близким уровнем жаропрочности к сплаву ЖС-36 обладает и сплав CMSX-4 (σ¹⁰⁰⁰₁₀₀ = 26 кгс/мм²) следующего химического состава, мас.%:
Кобальт - 9,3-10
Хром - 6,4-6,8
Молибден - 0,5-0,7
Вольфрам - 6,2-6,6
Тантал - 6,3-6,7
Алюминий - 5,45-5,75
Титан - 0,8-1,2
Гафний - 0,02-0,12
Рений - 2,8-3,2
Никель - Основа
Однако и сплав CMSX-4 имеет недостаточно высокий уровень жаропрочности и у него проявляется фазовая нестабильность, связанная с выделением ТПУ-фаз.

Изделия, полученные из сплавов ЖС-36 и CMSX-10, обладают недостаточным уровнем жаропрочности при длительной эксплуатации в температурном интервале 900-1100^oС.

Наиболее близким к предлагаемому по химическому составу и назначению, взятому авторами за прототип, является сплав CMSX-10 (3), имеющий следующий химический состав, содержащий, мас.%:
Углерод - До 0,04
Хром - 1,8-2,5
Кобальт - 1,5-2,5
Титан - 0,1-0,5
Алюминий - 5,5-6,1
Молибден - 0,25-0,6
Вольфрам - 3,5-6,0
Тантал - 8,0-9,0
Рений - 6,2-6,8
Ниобий - 0,01-0,1
Гафний - До 0,04
Бор - До 0,01
Иттрий - До 0,01
Церий - До 0,01
Лантан - До 0,01
Марганец - До 0,04
Кремний - До 0,05
Цирконий - До 0,01
Сера - До 0,001
Ванадий - До 0,01
Никель - Основа
Сплав применяется для получения отливок лопаток с монокристаллической структурой. Монокристаллы сплава CMSX-10 кристаллографической ориентации [001] для плавок различных составов, находящихся в пределах патента, имеют высокие значения пределов длительной прочности на уровне (σ¹⁰⁰⁰₁₀₀ = 31-32 кгс/мм²). Однако, при этом отмечается сравнительно высокая дисперсия долговечности образцов при испытаниях на ползучесть, что свидетельствует о недостаточной сбалансированности химического состава прототипа. Кроме того, задачи создания изделий новой техники требуют более высокий уровень температурной работоспособности, чем достигнутый уровень изделий из сплава CMSX-10.

Технической задачей предлагаемого изобретения являлась разработка сплава с более высоким уровнем жаропрочности при сохранении технологических характеристик. Для решения поставленной задачи предлагается сплав следующего химического состава, мас.%:
Углерод - 0,001-0,05
Хром - 2,0-3,0
Кобальт - 9,5-11,0
Титан - 0,1-1,2
Алюминий - 5,5-6,2
Вольфрам - 1,0-3,0
Тантал - 6,0-9,0
Рений - 8,0-11,0
Ниобий - 0,6-2,6
Бор - 0,001-0,02
Церий - 0,001-0,02
Лантан - 0,001-0,02
Иттрий - 0,001-0,02
Никель - Остальное
Основными отличиями предлагаемого сплава от известного являются:
1) повышенное содержание в нем таких элементов, как кобальт, рений, ниобий; 2) пониженное содержание вольфрама и 3) отсутствие в сплаве молибдена и гафния.

Основные трудности, возникающие при разработке сплавов с повышенным содержанием рения, связаны с созданием сплавов, сбалансированных по отношению к выделению неблагоприятных фаз, относящихся к разряду топологически плотноупакованным фазам (ТПУ-фазы), которые, с одной стороны, охрупчивают сплав, с другой резко разупрочняют твердый раствор в результате удаления из твердого раствора элементов, его упрочняющих.

ТПУ-фазы образуются, как правило, в осях дендритов и представляют собой пластины, выделяющиеся параллельно плоскостям октаэдра {111}. Выделения такого типа могут образовываться как после направленной кристаллизации и термической обработки, так и при длительном воздействии температуры и напряжений. Структурная стабильность содержащих рений сплавов относительно образования топологически плотно упакованных фаз определяется соотношением содержания в сплаве элементов 6-й группы - хрома, молибдена, вольфрама и рения. Эти элементы являются упрочнителями твердого раствора, причем наиболее эффективным является рений, который преимущественно распределен в γ-твердом растворе. Обладая наименьшим коэффициентом диффузии в никеле, рений тормозит процессы коагуляции упрочняющей γʹ-фазы, тем самым повышая ее термическую стабильность.

При разработке настоящего изобретения предполагалось, что при минимизации содержания в сплаве хрома, вольфрама и исключении из состава сплава молибдена склонность к образованию ТПУ-фаз будет определяться соотношением вольфрама и рения в сплаве.

При высоком суммарном содержании в сплаве рения и вольфрама стабильные составы будут находиться в области малого содержания вольфрама и высокого содержания рения. Сохранение в составе сплава хрома определяется его положительным влиянием на сопротивление газовой коррозии. В сплавах с высоким содержанием рения содержание хрома может быть снижено до уровня 2,0-3,0%, поскольку, рений сам относится к элементам, повышающим сопротивление газовой коррозии.

Молибден является упрочнителем твердого раствора, однако наиболее существенный его вклад проявляется в изменении параметра γ-твердого раствора и, как следствие, морфологии упрочняющей вторичной γʹ -фазы, делая ее кубической и тем самым, обеспечивая высокое сопротивление ползучести жаропрочных сплавов. Компенсировать полное исключение из состава сплава молибдена возможно только за счет комплексного изменения соотношения легирующих элементов, меняющих параметры как γ -твердого раствора, так и упрочняющей γʹ -фазы. Увеличение содержания рения в сплаве за счет пропорционального снижения вольфрама и увеличения содержания в сплаве ниобия - элемента, входящего главным образом в состав упрочняющей γʹ-фазы, позволило определить составы, в которых удалось обеспечить кубическую морфологию упрочняющей γʹ-фазы. Кроме этого, легирование ниобием положительно сказывается на жидкотекучести сплава при литье.

Наличие в составе сплава микролегирующих элементов: церия, лантана, иттрия и бора оказывает положительное влияние на формирование монокристальной структуры отливок в процессе направленной кристаллизации.

Предлагаемый сплав обеспечивает высокий выход годных отливок с монокристальной структурой при литье и существенно превышает уровень жаропрочности сплава-прототипа.

Примеры осуществления
В вакуумно-индукционной печи ВИАМ16-35 были выплавлены 4 плавки сплава по химическому составу, находящихся в пределах предлагаемого изобретения и 2 плавки запредельного состава (таблица 1). Монокристальные заготовки диаметром 16 мм и длиной 180 мм ориентации <001> с отклонением от ориентации, не превышающим 5-7^o, получали методом направленной кристаллизации на установках УВНК-8П с жидкометаллическим охлаждением. Для всех исследованных композиций выход годных по монокристальной структуре отливок заготовок образцов составлял >90%.

Монокристальные заготовки образцов подвергались высокотемпературной гомогенизации при температуре выше растворения вторичной упрочняющей γʹ-фазы и ниже температуры солидуса. Нагрев до окончательной температуры гомогенизации (≈1340^o) осуществлялся с промежуточными ступенчатыми изотермическими выдержками, что позволило избежать появления структуры локальных оплавлений. От температуры гомогенизации заготовки охлаждали со скоростью ~60^o/мин и подвергали двухступенчатому старению: 1) 1150^oС и 2) низкотемпературному при 900^oС. После окончательной термической обработки заготовок в отдельных междендритных участках отмечалось присутствие не полностью растворенной первичной γʹ-эвтектической фазы, количество которой составляло ≈2%. В осях дендритов и междендритных участках выделения вторичной γʹ-фазы были кубической формы размером 0,25-0,35 мкм в осях дендритов и ≈0,4 мкм в междендритых областях.

Для образцов плавки 7, содержащей запредельное содержание вольфрама (4%) и рения (11,5%) в осях дендритов отмечались пластинчатые выделения ТПУ-фаз.

Оценка уровня жаропрочности предлагаемых составов проводилась при температурах испытаний 900, 1000 и 1100^oС.

Результаты испытаний представлены в таблице 2. Для сравнения в таблице приведены результаты испытаний сплава-прототипа, взятые из патента (3).

Сплавы составов 2-5, находящиеся в области легирования предлагаемого сплава, имеют заметно более высокий уровень свойств, чем у сплава-прототипа. Микроструктурный анализ разрушенных образцов не выявил появления пластинчатых выделений ТПУ-фаз. Специально проведенные на составах 3 и 4 длительные отжиги (500 час) при температурах 1000 и 1100^oС не выявили появления пластинчатых выделений в осях дендритов.

Запредельно легированный хромом (4%) состав 6 с пониженным содержанием вольфрама (0,5%) и рения (7,5%) имел более низкие значения долговечности, чем предлагаемый сплав.

Из совокупности полученных результатов следует, что предлагаемый сплав обеспечивает достижения уровня жаропрочности, значительно превосходящего жаропрочность сплава-прототипа. Сплав технологичен при получении монокристальных отливок методом направленной кристаллизации и не склонен к образованию поверхностных дефектов типа "струйной ликвации". Отливки не подвержены рекристаллизации при термической обработке. Изделия из сплава изготавливаются методами направленной кристаллизации на установках различного типа как с низким, так и высоким градиентом температуры на фронте кристаллизации и обладают высоким уровнем свойств, позволяющим применять их в двигателях нового поколения.

Литература
1. Патент РФ 1513934, МКИ С 22 С 19/05.

2. USA, Patent Number 4,643,782, Feb., 17, 1987. Int. Cl. С 22 С 19/05.

3. USA, Patent Number 5,540,790, Jul., 30, 1996, Int. Cl. С 22 С 19/05.

Формула изобретения

1. Никелевый жаропрочный сплав для монокристального литья, содержащий углерод, хром, титан, кобальт, алюминий, вольфрам, тантал, рений, ниобий, бор, церий, лантан и иттрий, отличающийся тем, что он имеет следующий химический состав, при соотношении компонентов, мас. %:
Углерод - 0,001-0,05
Хром - 2,0-3,0
Кобальт - 9,5-11,0
Титан - 0,1-1,2
Алюминий - 5,5-6,2
Вольфрам - 1,0-3,0
Тантал - 6,0-9,0
Рений - 8,0-11,0
Ниобий - 0,6-2,6
Бор - 0,001-0,02
Церий - 0,001-0,02
Лантан - 0,001-0,02
Иттрий - 0,001-0,02
Никель - Остальное
2. Изделие из жаропрочного литейного сплава на основе никеля, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава следующего химического состава, мас. %:
Углерод - 0,001-0,05
Хром - 2,0-3,0
Кобальт - 9,5-11,0
Титан - 0,1-1,2
Алюминий - 5,5-6,2
Вольфрам - 1,0-3,0
Тантал - 6,0-9,0
Рений - 8,0-11,0
Ниобий - 0,6-2,6
Бор - 0,001-0,02
Церий - 0,001-0,02
Лантан - 0,001-0,02
Иттрий - 0,001-0,02
Никель - Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2