Порошковый жаропрочный сплав на основе никеля

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к составам порошковых жаропрочных сплавов на основе никеля. Может применяться для тяжелонагруженных деталей, работающих при повышенных температурах в газотурбинных двигателях. Сплав содержит, мас.%: углерод 0,02-0,08; хром 8,0-10,0; кобальт 1,0-6,0; вольфрам 5,2-6,0; молибден 3,4-4,2; титан 2,3-2,9; алюминий 4,6-5,3; ниобий 1,0-1,9; гафний 0,05-0,4; бор 0,005-0,05; цирконий 0,001-0,05; магний 0,001-0,05; марганец 0,001-0,5; кремний 0,001-0,5; железо 0,001-0,5; никель - остальное. Полученный сплав имеет высокие характеристики ползучести, пластичности и низкую скорость распространения усталостной трещины, что повышает ресурс работы изделий из него. 1 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии, в частности к порошковой металлургии жаропрочных сплавов на основе никеля, предназначенных для тяжелонагруженных деталей, работающих при повышенных температурах в газотурбинных двигателях.

Известен жаропрочный сплав на основе никеля, состава (мас.%):

Углерод	- 0,03-0,10
Хром	- 9,0-11,0
Кобальт	- 14,0-16,0
Вольфрам	- 3,8-5,5
Молибден	- 3,1-4,1
Титан	- 3,2-4,0
Алюминий	- 3,5-4,2
Ниобий	- 1,6-2,1
Гафний	- 0,2-0,8
Бор	- 0,005-0,05
Цирконий	- 0,005-0,05
Магний	- 0,005-0,05
Никель	- остальное

(патент РФ 2009244, С22С 19/05, 1994 год).

Недостатком этого сплава являются неудовлетворительные характеристики надежности, такие как низкое сопротивление малоцикловой усталости (МЦУ) и высокая скорость распространения усталостной трещины (СРТУ), что существенно снижает ресурс работы изделия.

Известен жаропрочный никелевый сплав, предназначенный для деталей газовых турбин, состава (мас.%):

Углерод	- 0,02-0,10
Хром	- 8,0-10,0
Вольфрам	- 5,2-5,9
Молибден	- 3,6-4,3
Титан	- 1,5-3,4
Алюминий	- 4,3-5,3
Ниобий	- 1,0-2,0
Гафний	- 0,1-0,4
Бор	- 0,001-0,05
Цирконий	- 0,001-0,05
Магний	- 0,001-0,08
Церий	- 0,001-0,06
Никель	- остальное

(Патент РФ 2131943, С22С 19/05, 1999 год) - прототип.

Недостатком этого сплава являются низкие характеристики ползучести (σ_0,2/100) и пластические характеристики (δ, Ψ, KCU), а также высокая скорость распространения усталостной трещины (СРТУ) при рабочих температурах.

Предлагается сплав на основе никеля, содержащий компоненты в следующем соотношении (мас.%):

Углерод	- 0,02-0,08
Хром	- 8,0-10,0
Кобальт	- 1,0-6,0
Вольфрам	- 5,2-6,0
Молибден	- 3,4-4,2
Титан	- 2,3-2,9
Алюминий	- 4,6-5,3
Ниобий	- 1,0-1,9
Гафний	- 0,05-0,4
Бор	- 0,005-0,05
Цирконий	- 0,001-0,05
Магний	- 0,001-0,05
Марганец	- 0,001-0,5
Кремний	- 0,001-0,5
Железо	- 0,001-0,5
Никель	- остальное

Предлагаемый сплав отличается от прототипа тем, что он дополнительно содержит кобальт, марганец, кремний и железо при следующем соотношении компонентов (мас.%):

Углерод	- 0,02-0,08
Хром	- 8,0-10,0
Кобальт	- 1,0-6,0
Вольфрам	- 5,2-6,0
Молибден	- 3,4-4,2
Титан	- 2,3-2,9
Алюминий	- 4,6-5,3
Ниобий	- 1,0-1,9
Гафний	- 0,05-0,4
Бор	- 0,005-0,05
Цирконий	- 0,001-0,05
Магний	- 0,001-0,05
Марганец	- 0,001-0,5
Кремний	- 0,001-0,5
Железо	- 0,001-0,5
Никель	- остальное

Технический результат - повышение характеристик ползучести, пластических характеристик и снижение скорости распространения усталостной трещины при рабочих температурах и, как следствие, повышение ресурса работы изделия из предлагаемого сплава.

Это достигается тем, что предлагаемый состав порошкового сплава обеспечивает создание устойчивой дислокационной структуры и ее сохранение при повышенных рабочих температурах, а также позволяет за счет увеличения поверхностного натяжения исключить образование внутренних пор в гранулах (в порошке) и, следовательно, прессовать из них плотные беспористые заготовки с высоким сопротивлением распространению усталостных трещин (с низкой СРТУ).

Пример

Методом порошковой металлургии был изготовлен и опробован сплав предлагаемого состава (мас.%):

Углерод	- 0,05
Хром	- 9,0
Кобальт	- 3,5
Вольфрам	- 5,5
Молибден	- 3,7
Титан	- 2,7
Алюминий	- 4,8
Ниобий	- 1,3
Гафний	- 0,2
Бор	- 0,02
Цирконий	- 0,01
Магний	- 0,03
Марганец	- 0,2
Кремний	- 0,2
Железо	- 0,2
Никель	остальное

Также был получен сплав по составу - прототипу.

Механические свойства при температуре 650°С предлагаемого сплава и сплава-прототипа определены по стандартным методикам испытания и представлены в таблице.

Таблица
	650°С
	Предел прочности σв	Предел текучести σ0,2	Относит.удлинение δ	Относит. сужение Ψ	Ударная вязкость KCU	Предел ползучести σ0,2/100	СРТУ ΔК=44МРа·м0,5
	МПа	%	МДж/м2	МПа	мм/цикл
Предлагаемый сплав	1420	990	14,2	17,9	0,44	970	2,1·10-4
Прототип	1370	935	6,7	6,8	0,22	830	2,2·10-3

Из таблицы видно, что сплав предлагаемого состава при рабочей температуре 650°С превосходит прототип по характеристикам пластичности и ударной вязкости почти в 2 раза, а по пределу ползучести на 140 МПа. При этом скорость распространения усталостной трещины предлагаемого сплава почти на порядок меньше, чем СРТУ прототипа.

Таким образом, применение предлагаемого сплава для изготовления валов, дисков и др. деталей газотурбинных двигателей позволит повысить их ресурс не менее чем в 2 раза.

Порошковый жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, вольфрам, молибден, титан, алюминий, ниобий, гафний, бор, цирконий и магний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кобальт, марганец, кремний и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,02-0,08
Хром	8,0-10,0
Кобальт	1,0-6,0
Вольфрам	5,2-6,0
Молибден	3,4-4,2
Титан	2,3-2,9
Алюминий	4,6-5,3
Ниобий	1,0-1,9
Гафний	0,05-0,4
Бор	0,005-0,05
Цирконий	0,001-0,05
Магний	0,001-0,05
Марганец	0,001-0,5
Кремний	0,001-0,5
Железо	0,001-0,5
Никель	Остальное