Жаропрочный литейный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него
Владельцы патента RU 2256715:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ВИАМ) Государственный научный центр Российской Федерации (RU)
Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению жаропрочных литейных сплавов на основе никеля, и может быть использовано для получения методом направленной кристаллизации деталей узлов газотурбинных двигателей и установок, преимущественно турбинных лопаток с монокристаллической и направленной структурами, работающих при высоких температурах. Предложены литейный жаропрочный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него. Сплав содержит хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, ниобий, алюминий, бор, иттрий и углерод, при этом он дополнительно содержит тантал, кремний и кальций, при следующем соотношении компонентов, мас.%: хром 5,0-9,0, кобальт 5,0-10,0, вольфрам 8,0-12,0, молибден 0,5-2,5, титан 1,0-3,0, ниобий 1,0-1,8, алюминий 4,5-6,0, бор 0,001-0,02, иттрий 0,005-0,05, углерод 0,05-0,25, тантал 0,25-1,5, кремний 0,01-0,1, кальций 0,001-0,01, никель - остальное. Технический результат - повышение сопротивления возникновению горящих трещин при литье турбинных лопаток с однонаправленной структурой зерен в сочетании с высоким уровнем жаропрочности и жаростойкости. 1 з.п. ф-лы, 3 табл.
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для получения методом направленной кристаллизации деталей высокотемпературных узлов газотурбинных двигателей и установок, преимущественно турбинных лопаток с монокристаллической и направленной структурами.
В металлургии широко известны литейные жаропрочные сплавы на основе никеля, содержащие вольфрам, хром, молибден, гафний, ниобий, кобальт, алюминий, такие как MAR-M247, ЖС26, ЖС26У, обладающие высоким уровнем длительной прочности, применяемые в газотурбинных двигателях авиационного назначения (Патент США №3748192, патент РФ №722330, патент РФ №1412342).
Однако сплавы MAR-M247 и ЖС26У показали себя недостаточно эффективными при использовании их в современной технологии направленной кристаллизации, а именно в технологии литья с применением жидкометаллического охладителя, обеспечивающего резкое увеличение прочностных свойств материала за счет увеличения градиента кристаллизации. Так, сплавы ЖС26У и MAR-M247 оказались малотехнологичными, склонными к горячему трещинообразованию, а сплав ЖС26, хотя и обладал высокой жаропрочностью и технологичностью, отличался низкой жаростойкостью из-за входящего в его состав упрочнителя - ванадия. Эти недостатки ограничивают применение сплавов в лопатках ГТД нового поколения.
Наиболее близким по химическому составу и назначению к предлагаемому изобретению, является жаропрочный литейный никелевый сплав ЖС26У, имеющий химический состав при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Сплав - прототип применяется для получения отливок лопаток с однонаправленной структурой. Однако этот сплав отличается крайне низкой технологичностью при высокоградиентном литье с применением охлаждения формы в расплаве легкоплавкого металла (алюминия, олова). Это связано с присутствием в сплаве гафния, который образует по границам зерен ряд легкоплавких эвтектик типа Ni3Hf или Ni5Hf. Из-за возникновения термических напряжений внутри эффективного интервала кристаллизации по границам зерен, там, где скапливаются не закристаллизовавшиеся эвтектические фазы, возникают так называемые горячие трещины, которые являются дефектом во всех случаях, приводящих лопатку в негодность.
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка жаропрочного литейного никелевого сплава и изделий из него, обладающих высокой технологичностью при высокоградиентной направленной кристаллизации, в частности высоким сопротивлением возникновению горячих трещин при литье турбинных лопаток с однонаправленной структурой зерен в сочетании с высоким уровнем жаропрочности и жаростойкости.
Для достижения поставленной цели предлагается жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий титан, ниобий, бор, иттрий, углерод, отличающийся тем, что он дополнительно содержит тантал, кремний, кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Удаление из состава сплава гафния резко повышает стойкость отливки к образованию трещин в процессе литья. Введенный в состав сплава тантал (до 1,5 мас.%) интенсивно упрочняет вторичную 
а значит и повышает прочностные характеристики материала. Наличие в сплаве тантала помимо повышения длительной прочности повышает технологичность, так как уменьшает вероятность возникновения полос струйчатой ликвации (цепочки равноосных зерен, являющихся дефектом структуры лопатки). Добавление кальция в количестве 0.001-0.01 мас.% снижает содержание в сплаве кислорода, который резко отрицательно влияет на технологические свойства сплава при монокристаллическом литье. Для удаления оставшихся в сплаве дисперсных включений вводят кремний (0,01-0,1 мас.%), который превращается в оксид, соединяясь с кислородом. Оксид кремния, соединяясь с оксидом кальция, образует легкоплавкое соединение, которое в процессе плавки уходит в футеровку тигля.
Изделия, получаемые из предлагаемого сплава, обладают высокими технологическими свойствами, жаропрочностью и жаростойкостью.
Пример осуществления.
В лабораторных условиях были отлиты предлагаемые сплавы, составы которых представлены в таблице 1, где составы 1, 2, 3 - предлагаемые сплавы; а состав 4 - сплав-прототип.
В таблицах 2 и 3 представлены результаты испытаний на жаропрочность, жаростойкость и трещиностойкость предлагаемого сплава (составы 1, 2, 3) в сравнении со сплавом-прототипом (состав 4).
Эксперименты проводились на промышленных установках направленной кристаллизации УВНК-8П (жидкометаллический кристаллизатор - алюминий). Контрольная заливка проводилась на специальных тестовых блоках. Блоки изготовлены из керамики на основе электрокорунда со связующим - гидролизованным раствором этилсиликата-40. Заливка проводилась сплавом-прототипом, содержащим до 0,3 мас.% гафния, и сплавами, имеющими состав в пределах предлагаемого изобретения.
Для проверки склонности к трещинообразованию была предложена специальная методика, которая включала заливку специального литейного блока и анализ макроструктуры полученных отливок. В предложенном блоке из 9-ти цилиндрических заготовок, расположенных в три ряда, две или три цилиндрических заготовки в каждом ряду соединялись пластинами толщиной 1-1,5мм. При проведении процесса высокоградиентной направленной кристаллизации на этих пластинах возникали границы зерен (металл прорастал от разных цилиндрических заготовок). В случае возникновения трещины по границе зерен, считалось, что сплав имеет недостаточную трещиностойкость. В противном случае трещиностойкость была удовлетворительной.
Как видно из таблиц 2 и 3 предлагаемый сплав имеет высокий уровень жаропрочности и жаростойкости на уровне известного сплава, по трещиностойкости предложенный сплав на порядок превышает сплав-прототип.
Таким образом, предложенный сплав имеет технологичность, необходимую для получения отливок в условиях высокоградиентной кристаллизации, и на порядок снижает брак рабочих лопаток газотурбинных двигателей и установок по горячим трещинам, что позволит увеличить ресурс и надежность изделий ГТД, выполненных из предлагаемого сплава.
| Таблица 1. Химический состав сплавов. | ||||
| Легирующие элементы | Содержание легирующих элементов (мас.%) | |||
| Предлагаемые сплавы | Сплав-прототип* | |||
| 1 | 2 | 3 | ||
| Хром | 9,0 | 5,0 | 7,0 | 5,3 |
| Кобальт | 7,5 | 10,0 | 5,0 | 10,7 |
| Вольфрам | 8,0 | 10,0 | 12,0 | 12,0 |
| Молибден | 2,5 | 0,5 | 1,5 | 1,05 |
| Титан | 1,0 | 2,0 | 3,0 | 1,8 |
| Ниобий | 1,8 | 1,0 | 1,4 | 1,3 |
| Алюминий | 5,2 | 6,0 | 4,5 | 7,5 |
| Бор | 0,001 | 0,01 | 0,02 | 0,17 |
| Иттрий | 0,05 | 0,005 | 0,025 | 0,01 |
| Углерод | 0,05 | 0,15 | 0,25 | 0,1 |
| Гафний | - | - | - | 0,3 |
| Тантал | 0,8 | 1,5 | 0,25 | - |
| Кремний | 0,05 | 0,01 | 0,01 | - |
| Кальций | 0,001 | 0,005 | 0,01 | - |
| Церий | - | - | - | 0,03 |
| Лантан | - | - | - | 0,025 |
| Празеодим | - | - | - | 0,012 |
| Неодим | - | - | - | 0,09 |
| Никель | остальное |
| Таблица 2 Склонность к трещиностойкости при направленной кристаллизации отливки в высокоградиентной печи УВНК-8П. | ||
| № сплава | Длина горячей трещины, мм | Количество трещин |
| 1 | 0,2-0,3 | 1-2 |
| 2 | 0 | 0 |
| 3 | 0 | 0 |
| Сплав-прототип | до 25 | 8 |
| Таблица 3 Свойства сплавов | ||||
| Сплав | Долговечность образцов при испытании на длительную прочность по режиму, час | Привес образцов 1100°С-100 час, г/м2 | Привес образцов 1000°С-225 час, г/м2 | |
| Т=975°С σ=270 МПа | Т=1100°С σ=120 МПа | |||
| 1 | 75 | 86 | 16 | 13 |
| 2 | 80 | 90 | 14 | 10 |
| 3 | 76 | 85 | 14 | 11 |
| 4 | 78 | 88 | 15 | 11 |
| где, σ=270 МПа и σ=120 МПа - механическое напряжение при испытании на длительную прочность при указанных температурах |
1. Жаропрочный литейный сплав на основе никеля, содержащий хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, ниобий, алюминий, бор, иттрий и углерод, отличающийся тем, что он дополнительно содержит тантал, кремний и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Хром 5,0-9,0
Кобальт 5,0-10,0
Вольфрам 8,0-12,0
Молибден 0,5-2,5
Титан 1,0-3,0
Ниобий 1,0-1,8
Алюминий 4,5-6,0
Бор 0,001-0,02
Иттрий 0,005-0,05
Углерод 0,05-0,25
Тантал 0,25-1,5
Кремний 0,01-0,1
Кальций 0,001-0,01
Никель Остальное
2. Изделие из жаропрочного литейного сплава на основе никеля, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п.1.
