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

Изобретение относится к области металлургии жаропрочных деформируемых сплавов на основе никеля и изделий, выполненных из этих сплавов, для авиационной техники, машиностроения и других отраслей народного хозяйства и может быть использовано для изготовления дисков турбин газотурбинных двигателей и других узлов и деталей, работающих при температурах до 850°С. Предложены жаропрочный деформируемый сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него. Сплав содержит кобальт, хром, вольфрам, молибден, ванадий, алюминий, титан, ниобий, углерод, бор, лантан, церий, магний, рений и скандий при следующем соотношении компонентов, мас.%: кобальт - 14,0-15,9; хром - 9,7-12,0; вольфрам - 1,5-3,5; молибден - 3,5-4,5; рений - 0,5-2,5; ванадий - 0,4-0,7; алюминий - 3,5-4,2; титан - 2,5-3,5; ниобий - 2,5-4,0; углерод - 0,04-0,10; бор - 0,007-0,014; лантан - 0,005-0,015; церий - 0,003-0,010; магний - 0,004-0,015; скандий - 0,003-0,015 никель - остальное. Технический результат - разработка сплава для дисков турбины ГТД, обладающего высокой жаропрочностью в интервале температур от 650 до 850°С, прочностью и ударной вязкостью при комнатной температуре, хорошей пластичностью при обработке давлением, что обеспечит высокий выход годного и снизит цену изделия. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии жаропрочных деформируемых сплавов на основе никеля и изделий, выполненных из этих сплавов, для авиационной техники, машиностроения и других отраслей народного хозяйства и может быть использовано для изготовления дисков турбин газотурбинных двигателей и других узлов и деталей, работающих при температурах до 850°С.

Сплавы представляют собой многокомпонентные системы на основе никеля, упрочняемые более 40% γ' фазы - интерметаллида на основе Ni3Al, карбидами и боридами.

Основными требованиями, предъявляемыми к этому классу материалов, являются технологичность при обработке давлением, высокий уровень прочностных характеристик как кратковременных, так и длительных, вязкости разрушения. Это обеспечит надежную работу изделий из предлагаемого сплава, позволит увеличить их ресурс и весовую отдачу. Известны деформируемые дисковые сплавы на никелевой основе следующего химического состава (мас.%):

1.

Кобальт- 14,0÷18,0
Хром- 10,0÷11,5
Вольфрам + Рений- 5,3÷6,5
Молибден- 2,0÷3,0
Алюминий- 3,45÷4,15
Титан- 3,6÷4,2
Ниобий- 1,4÷2,0
Тантал- 0,45÷1,5
Углерод- 0,03÷0,04
Бор- 0,01÷0,025
Цирконий- 0,05÷0,015
Никель- остальное

(Патент США №6468368).

2.

Кобальт- 16,0÷22,4
Хром- 6,6÷14,3
Железо- 0÷2,0
Вольфрам- 1,9÷4,0
Молибден- 1,9÷3,9
Рений- 0÷2,5
Ванадий- 0÷2,0
Алюминий- 2,6÷4,8
Титан- 2,4÷4,6
Ниобий- 0,9÷3,0
Тантал- 1,4÷3,5
Углерод- 0,02÷0,10
Бор- 0,02÷0,10
Цирконий- 0,03÷0,10
Гафний- 0÷2,0
Магний- 0÷0,1
Никель- остальное

(Патент ЕП №1201777, Патент США №6521175).

3.

Кобальт- 14÷23
Хром- 11÷15
Железо- 0÷2
Вольфрам- 0,5÷3
Молибден- 2,7÷5
Рений- 0÷2,5
Ванадий- 0÷2,0
Алюминий- 2÷5
Титан- 3÷6
Ниобий- 0,25÷3
Тантал- 0,5÷4
Углерод- 0,015÷0,1
Бор- 0,015÷0,045
Цирконий- 0,015÷0,15
Гафний- 0÷2,0
Магний- 0÷0,1
Никель- остальное

(Патент ЕП №1195446).

4.

Кобальт- 14÷18
Хром- 8,0÷11,0
Вольфрам- 4,5÷5,9
Молибден- 3,0÷5,5
Алюминий- 4,5÷6,0
Титан- 1,5÷3,0
Ниобий- 2,0÷3,5
Углерод- 0,02÷0,08
Бор- 0,01÷0,035
Цирконий- 0,01÷0,1
Гафний- 0,2÷1,5
Церий- 0,01÷0,06
Магний- 0,005÷0,1
Никель- остальное

(Патент РФ №2160789).

Эти сплавы не обладают комплексом свойств, необходимым для материала дисков перспективных газотурбинных двигателей, высоким уровнем прочности при комнатной температуре в сочетании с пластичностью и жаропрочностью. Они сложны в производстве - их трудно деформировать и термообрабатывать без растрескивания. Они не обеспечивают необходимый уровень надежности и ресурса изделий. Большую часть этих сплавов рекомендуется производить методами гранульной металлургии.

Наиболее близким по составу и назначению к предлагаемому является сплав следующего химического состава (мас.%):

Кобальт- 13,0÷15,0
Хром- 8,5÷9,5
Вольфрам- 5,3÷6,5
Молибден- 3,0÷3,5
Ванадий- 0,1÷0,6
Алюминий- 3,6÷4,0
Титан- 2,5÷2,9
Ниобий- 3,2÷3,8
Углерод- 0,08÷0,14
Бор- 0,008÷0,2
Цирконий- 0,01÷0,06
Лантан- 0,005÷0,012
Церий- 0,005÷0,03
Магний- 0,003÷0,01
Никель- остальное

(Патент РФ №2022044).

Недостатками этого сплава являются низкая для перспективных газотурбинных двигателей ударная вязкость, недостаточная жаропрочность и технологичность при обработке давлением. Свойства сплава по патенту получены после проведения специальной термомеханической обработки, в результате которой формируется так называемая структура «ожерелье». Материал для дисков турбин с такой структурой обладает высокой прочностью, но работоспособен до 700°С. При более высокой температуре активизируются процессы ползучести, и срок службы изделия значительно снижается.

Поэтому изготовленные из этого сплава изделия будут обладать ограниченными значениями ресурса и надежности.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка сплава для дисков турбины ГТД, обладающего высокой жаропрочностью в интервале температур от 650 до 850°С, прочностью и ударной вязкостью при комнатной температуре. Дополнительно к высоким свойствам необходимо, чтобы сплав был технологичен - имел хорошую пластичность при обработке давлением, что обеспечит высокий выход годного и снизит цену изделия. Это особенно важно при использовании в составе сплава дорогостоящих компонентов.

Для решения поставленной задачи предлагается жаропрочный деформируемый сплав на основе никеля, содержащий кобальт, хром, вольфрам, молибден, ванадий, алюминий, титан, ниобий, углерод, бор, лантан, церий, магний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит рений и скандий при следующем соотношении компонентов (мас.%):

Кобальт- 14,0÷15,9
Хром- 9,7÷12,0
Вольфрам- 1,5÷3,5
Молибден- 3,5÷4,5
Рений- 0,5÷2,5
Ванадий- 0,4÷0,7
Алюминий- 3,5÷4,2
Титан- 2,5÷3,5
Ниобий- 2,5÷4,0
Углерод- 0,04÷0,10
Бор- 0,007÷0,014
Лантан- 0,005÷0,015
Церий- 0,003÷0,010
Магний- 0,004÷0,015
Скандий- 0,003÷0,015
Никель- остальное

и изделие выполненное из него.

Совместное введение 0,5÷2,5% рения и 0,003÷0,015% скандия повышает одновременно прочность, жаропрочность и технологическую пластичность при обработке давлением предлагаемого сплава.

Рений концентрируется в твердом растворе (γ фазе). Он в большей степени, чем молибден и вольфрам снижает диффузионную подвижность компонентов сплава, увеличивая его термическую стабильность.

Скандий в количестве 0,003÷0,015% повышает технологичность сплава при обработке давлением, а именно степень осадки литой заготовки без образования трещин, увеличивает пластичность при кратковременных и длительных испытаниях, жаропрочность. Скандий участвует в образовании первичных карбидов, делая их форму более компактной. Также он концентрируется на границах зерен и фаз и более полно (вместе с лантаном, церием, магнием и бором) связывает серу, фосфор и другие примеси, снижающие свойства жаропрочных никелевых сплавов. Содержание скандия в сплаве меньше указанного оптимального количества - не эффективно, больше - снижает пластичность материала.

Введение хрома в заявленных пределах упрочняет твердый раствор, повышает прочность сплава.

Более высокий, по сравнению с прототипом, молибден и сниженный вольфрам обеспечивают оптимальное соотношение легирующих компонентов в твердом растворе и в γ' фазе. В результате чего повышается жаропрочность, и снижается вероятность выделения ТПФ (μ и σ), свободного α-W.

Углерод в рекомендованных концентрациях обеспечивает оптимальное соотношение прочности и жаропрочности материала. Более низкое, по сравнению с прототипом, содержание углерода обеспечивает высокое сопротивление малоцикловой усталости.

Использование предлагаемого сплава в качестве материала для дисков турбин перспективных изделий пятого и шестого поколения позволит повысить их характеристики, увеличить ресурс и надежность.

Пример осуществления

Для практического осуществления изобретения в лабораторных условиях были выплавлены четыре вакуумных индукционных плавки предлагаемого сплава (примеры 1-3) и сплава-прототипа (пример 4) (Таблица 1).

Заливка металла плавок производилась в круглые металлические кокили. Полученные слитки были обточены резцом «как чисто», а затем разрезаны на шихтовые заготовки. Заготовки под деформацию ⊘100 мм и весом ˜22 кг получали переплавом методом высокоскоростной направленной кристаллизации. Из темплета толщиной ˜30 мм изготавливали образцы для определения допустимой степени деформации при осадке при температуре 1140°С.

Далее заготовки многократно деформировали с разовой степенью деформации 25-50%. В результате были получены модельные штамповки дисков ⊘200-300 мм, высотой 50-25 мм, из которых вырезали заготовки под образцы.

Термическая обработка - закалка от температуры полного растворения γ' фазы ±15°С и двойное старение.

Полученные образцы испытывали на длительную и кратковременную прочность, ударную вязкость.

Результаты испытаний представлены в таблице 2.

Предлагаемый сплав превосходит сплав-прототип по всему комплексу свойств: кратковременной прочности и пластичности - более чем на 10%, ударной вязкости - более чем на 27%, длительной прочности при 650 и 750°С ˜ на 5%, при 850°С - более 10%, по предельно допустимой степени осадки литого образца при 1140°С (более чем на 40%).

Таким образом, применение предлагаемого сплава позволит повысить комплекс свойств дисков турбин, а значит и технические характеристики перспективных ГТД. Повышение выхода годного при производстве дисков из-за более высокой технологичности предлагаемого сплава снижает цену изделий.

Таблица 1

Химический состав опытных плавок предлагаемого сплава и сплава-прототипа
№ плавкиХимический состав, мас.%
СоCrWМоReVAlTiNbСВZrLaСеMgScNi
114,09,73,53,50,50,44,22,54,00,0400,007-0,0050,0030,0040,003остальное
214,911,12,34,51,50,63,73,02,80,0750,011-0,0100,0070,0100,009
315,912,01,54,02,50,73,53,52,50,1000,014-0,0150,0100,0150,015
414,09,05,93,3-0,43,82,73,50,110,1040,0350,0090,0180,007-остальное

1. Жаропрочный деформируемый сплав на основе никеля, содержащий кобальт, хром, вольфрам, молибден, ванадий, алюминий, титан, ниобий, углерод, бор, лантан, церий, магний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит рений и скандий при следующем соотношении компонентов мас.%:

Кобальт14,0-15,9
Хром9,7-12,0
Вольфрам1,5-3,5
Молибден3,5-4,5
Рений0,5-2,5
Ванадий0,4-0,7
Алюминий3,5-4,2
Титан2,5-3,5
Ниобий2,5-4,0
Углерод0,04-0,10
Бор0,007-0,014
Лантан0,005-0,015
Церий0,003-0,010
Магний0,004-0,015
Скандий0,003-0,015
НикельОстальное

2. Изделие из жаропрочного деформируемого сплава на основе никеля, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п.1.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к области машиностроения, а именно к припоям на основе никеля, преимущественно к аморфным припоям, и может найти применение при изготовлении паяных деталей узлов радиаторов, теплообменников, сотовых панелей и т.д., в конструкции которых применяются тонкостенные элементы из нержавеющих сталей.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам на основе никеля, используемым для изготовления зубных коронок, протезов, бюгелей. .

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам производства слитков большого диаметра из суперсплавов на основе никеля, которые по существу не имеют положительной и отрицательной ликвации.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным сплавам на основе никеля. .
Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным сплавам на основе никеля, предназначенным для тяжелонагруженных деталей, работающих при повышенных температурах в газотурбинных двигателях.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным свариваемым сплавам на основе никеля, предназначены для изготовления корпусов, кожухов, теплозащитных экранов и других сварных узлов и деталей, работающих при температурах до 900°С.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным интерметаллидным сплавам на основе Ni3Al и изделиям, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям с монокристаллической структурой, таким как рабочие лопатки газотурбинных двигателей авиационной промышленности.

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.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к припоям на основе никеля, которое может найти применение при изготовлении паяных деталей горячего тракта турбин ГТД.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным интерметаллидным сплавам на основе Ni3Al и изделиям, получаемым из этого сплава методом точного литья по выплавляемым моделям с поликристаллической, направленной столбчатой и монокристаллической структурами, например, рабочим и сопловым лопаткам, деталям газотурбинных двигателей, применяемых в авиационной, автомобильной промышленности и судостроении.
Изобретение относится к области машиностроения, а именно к припоям на основе никеля, которое может найти применение при изготовлении паяных деталей горячего тракта турбин ГТД из монокристаллических никелевых сплавовИзвестен припой на основе никеля (СССР а.с
Изобретение относится к области машиностроения, а именно к припоям на основе никеля, которые могут найти применение при изготовлении паяных деталей горячего тракта турбин ГТД из монокристаллических никелевых сплавов

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам, используемым в стоматологии для изготовления литейной технологией зубных коронок, протезов, бюгелей и т.д

Изобретение относится к области металлургии жаропрочных свариваемых сплавов на основе никеля, предназначенных для изготовления жаровых труб, корпусов, кожухов, экранов и других сварных узлов и деталей, работающих в области температур 20-1000°С

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам на основе никеля, способным выдерживать сверхвысокие температуры

Изобретение относится к металлургии сплавов, в частности к производству никелевых жаропрочных сплавов и изготовлению из них изделий с монокристаллической структурой, например лопаток газовых турбин

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к жаропрочным никелевым сплавам, предназначенным для тяжелонагруженных деталей, работающих при повышенных температурах в ГТД

Изобретение относится к области металлургии, а именно к области суперсплавов на основе никеля, предназначенных для применения в направленно отвержденных изделиях, работающих при повышенных температурах, а также с хорошей стойкостью к высокотемпературной коррозии и окислению

Изобретение относится к металлургии сплавов, а именно к жаропрочным сплавам на основе никеля, используемым для деталей с монокристаллической структурой, например лопаток газовых турбин, работающих при высоких температурах
Наверх