Сплав на основе никеля
Изобретение относится к сплавам на основе никеля, имеющим желаемое соотношение прочности и сопротивления коррозии и окислению, и может быть использовано для изготовления соплового аппарата газотурбинного двигателя. Сплав состоит по существу из, мас.%: 10-25 кобальта, 20-28 хрома, 1-3 вольфрама, 0,5-1,5 алюминия, 1,5-2,8 титана, 0,8-1,45 ниобия, 0,001-0,025 бора, вплоть до 0,4 циркония, 0,02-0,15 углерода, остальное - по существу никель и случайные примеси. Сплав содержит тантал в количестве, меньшем, чем ниобий, причем Nb+0,508Ta составляет 1,15-1,45, или не содержит тантала. Сплав обладает улучшенной пластичностью и свариваемостью, но без ухудшения литейных свойств. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 2 табл., 6 ил.
Область изобретения
Настоящее изобретение в общем относится к сплавам на основе никеля. В частности, это изобретение относится к литейным и свариваемым сплавам на основе никеля, которые проявляют необходимые свойства, пригодные для применений в газотурбинных двигателях.
Уровень техники
Суперсплав GTD-222 (патент US 4810467) имеет ряд необходимых свойств для применения в газотурбинных двигателях в качестве соплового аппарата (направляющих лопаток) в последних (второй и третьей) ступенях турбины. В номинальный состав сплава GTD-222 входят, по массе, примерно 19% кобальта, примерно 22,5% хрома, примерно 2% вольфрама, примерно 1,2% алюминия, примерно 2,3% титана, причем Al+Ti составляют примерно 3,5%, примерно 0,8% ниобия, примерно 1,0% тантала, примерно 0,01% бора, примерно 0,01% циркония, примерно 0,1% углерода, остальное по существу составляют никель и случайные примеси. Как и в случае других сплавов на основе никеля, разработка GTD-222 была связана с тщательным и контролируемым подбором концентраций определенных критически важных легирующих элементов с тем, чтобы добиться требуемого сочетания свойств. Применительно к использованию в сопловом аппарате турбины, а особенно - в сопловом аппарате последней ступени, для изготовления которого используется GTD-222, такие свойства включают в себя: высокотемпературную прочность, литейные свойства, свариваемость и сопротивление малоцикловой усталости, коррозии и окислению. Термические условия во второй ступени турбины являются достаточно жесткими и требуют формирования устойчивого к окислению покрытия, теплобарьерного покрытия (от англ. thermal barrier coating, TBC) и/или внутреннего охлаждения соплового аппарата, выполненного из сплава GTD-222. Свойства GTD-222 достаточны для придания сопловому аппарату третьей ступени требуемой долговечности без таких дополнительных мер.
Попытки оптимизации какого-либо одного из требуемых свойств суперсплава часто приводят к неблагоприятному воздействию на другие свойства. Особым примером является свариваемость и сопротивление ползучести, причем оба эти свойства очень важны для соплового аппарата газотурбинного двигателя. Однако большее сопротивление ползучести в сплаве приводит к большей сложности сварки, которая необходима для обеспечения возможности ремонта посредством сварки. Желаемая комбинация предела ползучести и свариваемости, проявляемая сплавом GTD-222, как полагают, является результатом использования благоприятных уровней содержания алюминия, титана, тантала и ниобия в этом сплаве. Каждый из этих элементов участвует в образовании дисперсионно-упрочняющей гамма-штрих (γ') фазы (Ni3(Ti, Al)). Алюминий и титан являются ключевыми элементами при формировании гамма-штрих фазы, в то время как основная роль тантала и ниобия - участие в образовании карбидной фазы МС. Тантал и ниобий, остающиеся после формирования карбида МС, играют меньшую, но не маловажную, роль в формировании гамма-штрих фазы.
И хотя было подтверждено, что сплав GTD-222 хорошо работает при его применении в качестве сплава для соплового аппарата последней ступени газотурбинного двигателя, были бы желательны альтернативы. В настоящее время представляет интерес уменьшение содержания тантала ввиду его высокой стоимости. Однако желательно, чтобы свойства сплава с уменьшенным содержанием тантала были близки к таковым у GTD-222, особенно при использовании в качестве сплава для соплового аппарата вторых и третьих ступеней.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение предлагает сплав на основе никеля, имеющий желаемое соотношение прочности (включая сопротивление ползучести) и сопротивление коррозии и окислению, подходящее для соплового аппарата последних ступеней газотурбинного двигателя, в частности соплового аппарата второй и третьей ступеней. Кроме того, сплав является литейным, сравнительно легко сваривается по сравнению с GTD-222 и имеет приемлемые требования к термической обработке. Эти желаемые свойства достигаются в сплаве, в котором тантал исключен или присутствует на сравнительно низком уровне, но при этом сохраняется относительно высокий уровень содержания ниобия для достижения свойств, сходных с таковыми у сплава GTD-222.
В соответствии с изобретением сплав на основе никеля состоит по существу из, по массе, от 10% до 25% кобальта, от 20% до 28% хрома, от 1% до 3% вольфрама, от 0,5% до 1,5% алюминия, от 1,5% до 2,8% титана, от 0,8% до 1,45% ниобия, тантала в количестве, меньшем, чем ниобий, причем Nb+0,508Ta составляет от 1,15% до 1,45%, от 0,001% до 0,025 бора, вплоть до 0,05% циркония, от 0,02% до 0,15% углерода, остальное - по существу никель и случайные примеси. Содержание ниобия в сплаве предпочтительно составляет по меньшей мере 0,9%, более предпочтительно по меньшей мере 1,25%, в то время как содержание тантала в сплаве предпочтительно составляет менее 0,5%, а более предпочтительно тантал полностью исключен из состава сплава.
Таким образом, в соответствии с изобретением также предложен литейный свариваемый сплав на основе никеля, состоящий по существу из, по массе, 10-25% кобальта, 20-28% хрома, 1-3% вольфрама, 0,5-1,5% алюминия, 1,5-2,8% титана, 0,8-1,45% ниобия, 0,001-0,025% бора, вплоть до 0,4% циркония, 0,02-0,15% углерода, остальное - по существу никель и случайные примеси.
Сплав согласно этому изобретению имеет свойства, соизмеримые с таковыми у сплава GTD-222, с потенциально улучшенной пластичностью и свариваемостью, но при этом без ухудшения литейных свойств. Примечательно, что улучшение свариваемости сплава достигается без ухудшения сопротивления ползучести. Эти свойства и преимущества достигаются даже несмотря на то, что относительные количества тантала и ниобия противоположны таковым в GTD-222, то есть в предложенном сплаве присутствует больше ниобия, чем тантала, причем предпочтительный максимальный уровень тантала ниже минимального количества тантала, требуемого для GTD-222. Желательные свойства, как полагают, достигаются посредством поддержания по существу постоянного суммарного атомного процентного содержания ниобия и тантала в предложенном сплаве, в котором ниобий вносит больший вклад в это суммарное количество, чем тантал, в результате определения суммарного количества в соответствии с формулой Nb+0,508Ta. В противоположность сплаву GTD-222 (патент US 4810467), сопловые аппараты второй и третьей ступеней проявляют прекрасные свойства, когда они отлиты из сплава, в котором тантал по существу отсутствует, то есть присутствует только на уровне примеси. Поэтому сплав согласно этому изобретению обеспечивает превосходную и потенциально более экономичную альтернативу сплаву GTD-222 в результате уменьшения или исключения потребности в тантале.
Другие цели и преимущества этого изобретения будут более понятны из нижеследующего подробного описания.
Краткое описание чертежей
На фиг.1-3 представлены графики предела прочности на разрыв, предела текучести и относительного удлинения в процентах в зависимости от температуры для сплава GTD-222 на основе никеля и сплавов на основе никеля в рамках настоящего изобретения.
На фиг.4 и 5 представлены графики малоцикловой усталостной долговечности при 1400°F и 1600°F (примерно 760°С и примерно 870°С) соответственно для сплава GTD-222 и сплавов в рамках настоящего изобретения.
На фиг.6 представлен график усталостной долговечности при ползучести при 1450°F и 1600°F (примерно 790°С и примерно 870°С) для сплава GTD-222 и сплавов в рамках настоящего изобретения.
Подробное описание изобретения
Настоящее изобретение стало результатом попытки разработать сплав на основе никеля, который имеет свойства, сопоставимые со свойствами сплава на основе никеля, известного в коммерческом обороте как GTD-222 и раскрытого в патенте US 4810467, включенном в настоящее описание посредством ссылки, но химический состав которого тщательно сбалансирован таким образом, чтобы обеспечить возможность уменьшения содержания или полного исключения тантала. Результатом данного исследования явилось создание сплава на основе никеля, свойства которого особенно желательны для соплового аппарата, используемого во второй и третьей ступенях турбины газотурбинного двигателя. Поэтому представляющие интерес конкретные свойства включают в себя предел ползучести, свариваемость, усталостную долговечность, литейные свойства, металлургическую стабильность и сопротивление окислению. Результатом использованного в этом исследовании подхода явилось увеличение содержания ниобия для замещения отсутствующего тантала и, как следствие, радикальное изменение двух из неосновных легирующих элементов сплава GTD-222, о которых известно, что они образуют вторичную гамма-штрих фазу при дисперсионном твердении.
Высокотемпературная прочность (жаропрочность) суперсплава на основе никеля непосредственно связана с объемной долей гамма-штрих фазы, которая, в свою очередь, непосредственно связана с общим количеством образующих гамма-штрих фазу элементов (алюминий, титан, тантал и ниобий), присутствующих в сплаве. Исходя из данных зависимостей, могут быть рассчитаны количества этих элементов, необходимые для достижения заданного уровня прочности. Составы этой гамма-штрих фазы и других вторичных фаз, таких как карбиды и бориды, а также объемная доля гамма-штрих фазы также могут быть оценены исходя из исходного химического состава сплава и некоторых начальных допущений относительно фаз, которые образуются в сплаве. Посредством такой процедуры авторы пришли к заключению, что сплав, имеющий желаемый для соплового аппарата второй и третьей ступеней уровень предела ползучести, должен содержать примерно 18 или более объемных процентов гамма-штрих фазы. Однако другие свойства, важные для соплового аппарата газотурбинных двигателей, такие как свариваемость, усталостная долговечность, литейные свойства, металлургическая стабильность и сопротивление окислению, невозможно спрогнозировать заранее исходя из количеств этих и других элементов.
В ходе данного исследования были разработаны и отлиты два сплава, имеющих близкие химические составы, приведенные ниже в таблице 1. Кроме того, были подготовлены отливки из сплава GTD-222, имеющего следующий приблизительный химический состав, по массе: 19% кобальта, примерно 22,5% хрома, примерно 2% вольфрама, примерно 1,2% алюминия, примерно 2,3% титана, примерно 0,8% ниобия, примерно 1% тантала, примерно 0,008% бора, примерно 0,022% циркония, примерно 0,1% углерода, остальное - по существу никель и случайные примеси. Отливки из каждого сплава подвергались циклу термической обработки, в которую входила обработка на твердый раствор при температуре примерно 2100°F (примерно 1150°С) в течение двух часов с последующим старением при температуре примерно 1475°F (примерно 800°С) в течение примерно восьми часов. Затем из полученных отливок механически вырезали образцы обычным способом.
| Таблица 1 | ||
| № сплава | ||
| B1 | В2 | |
| Со | 19,06 | 19,10 |
| Cr | 22,86 | 22,40 |
| W | 1,96 | 2,02 |
| Al | 1,17 | 1,21 |
| Ti | 2,29 | 2,32 |
| Nb | 1,28 | 1,32 |
| Та | 0,01 | 0,09 |
| В | 0,003 | 0,003 |
| Zr | 0,007 | 0,007 |
| С | 0,09 | 0,10 |
| Мо | <0,01 | 0,03 |
| Hf | <0,01 | 0,00 |
| Ni | Остальное | Остальное |
Вышеупомянутые уровни легирования были выбраны для оценки влияния замещения ниобием тантала, но во всем остальном умышлено сохранялся состав GTD-222. Прочностные характеристики сплавов на разрыв были определены с помощью стандартных образцов в виде гладких прутков. Нормированные данные подытоживаются на фиг.1, 2 и 3, на которых кривая «222 основная усредненная линия» отображает усреднение за прошедший период для GTD-222 по отдельной характеристике, «222 с преобладанием Nb-1» показывает данные для образцов B1, и «222 с преобладанием Nb-2» показывает данные для образцов В2. Кроме того, оценивали сопловой аппарат газотурбинного двигателя, отлитый из того же сплава, что и образцы В1. Данные показывают, что предел прочности на разрыв образцов В1 и В2 был на величину от примерно 3 до примерно 5 процентов меньше, чем базовая линия для GTD-222, но пластичность у В1 и В2 была намного более высокой - выше по порядку на величину примерно 30-40%. Высокая пластичность и сходный предел прочности на разрыв у сплавов В1 и В2 по сравнению со сплавом GTD-222 показывают, что данные экспериментальные сплавы могут представлять собой подходящие альтернативы сплаву GTD-222.
На фиг.4 и 5 представлены графики малоцикловой усталостной долговечности (от англ. low cycle fatigue, LCF) при 1400°F (примерно 760°С) и 1600°F (примерно 870°С) соответственно для сплавов В1 и В2 и сплава GTD-222. В обоих испытаниях на 0,25 дюймовые (примерно 8,2 мм) прутки циклически воздействовали до возникновения трещины. Кроме того, на фиг.4 построена кривая 3σ («3S») для оцененных сплавов (усредненная), а также сплава GTD-222. Кривая 3σ показывает, что LCF-долговечность сплавов В1 и В2 при 1400°F была по существу такой же, что и базовая линия для GTD-222 при уровнях деформации выше примерно 0,5%, но была ниже на примерно 15-25% при деформациях менее 0,5%. На фиг.5 данные для испытаний на LCF при 1600°F доказывают, что сплавы В1 и В2 проявляли по существу одинаковую LCF-долговечность со сплавом GTD-222.
На фиг.6 представлен график усталостной долговечности при ползучести для сплавов В1 и В2 и сплава GTD-222 при уровне деформации примерно 0,5% и температурах примерно 1450°F (примерно 790°С) и 1600°F (примерно 870°С). При температуре испытания 1450°F сплавы В1 и В2 проявляли усталостную долговечность при ползучести, которая была по существу такой же самой, что и у сплава GTD-222. При температуре испытания 1600°F кратковременная долговечность сплавов В1 и В2 была ниже, чем у сплава GTD-222, что прогнозировалось прочностными данными. Однако фиг.6 доказывает, что длительная усталостная долговечность при ползучести сплавов В1 и В2 по существу та же самая, что и у GTD-222.
Были проведены дополнительные испытания со сплавами В1 и В2 для сравнения с разными другими свойствами сплава GTD-222. Такие испытания включали в себя испытания на многоцикловую усталостную долговечность (HCF) и малоцикловую усталостную долговечность (LCF), сопротивление окислению, свариваемость, литейные свойства, характеристики диффузионного покрытия и физические свойства. Во всех этих исследованиях свойства сплавов В1 и В2 были по существу идентичными таковым для базовой линии GTD-222, за исключением свариваемости, в отношении которой сплавы В1 и В2 неожиданно обнаружили несколько улучшенную свариваемость, чем сплав GTD-222, с точки зрения сопротивления трещинообразованию.
Кроме того, было определено, что LCF-долговечность сварных соединений, полученных TIG-сваркой (т.е. дуговой сваркой вольфрамовым электродом в среде инертного газа) в сплавах В1 и В2, была в примерно два раза большей, чем таковая в сварных соединениях, полученных TIG-сваркой в сплаве GTD-222, что согласуется с результатами исследования свариваемости.
На основе вышесказанного можно утверждать, что сплав, имеющий широкий, предпочтительный и номинальный составы (по массе) и содержание гамма-штрих фазы (по объему), которые подытоживаются в таблице 2, имеет соизмеримые свойства со сплавом GTD-222, а следовательно, пригоден для использования в качестве сплава для изготовления соплового аппарата последних ступеней газотурбинного двигателя, а также других применений, в которых требуются сходные свойства.
| Таблица 2 | |||
| Широкий | Предпочтительный | Номинальный | |
| Со | 10-25 | 18,5-19,5 | 19 |
| Cr | 20-28 | 22,2-22,8 | 22,5 |
| W | 1-3 | 1,8-2,2 | 2 |
| Al | 0,5-1,5 | 1,1-1,3 | 1,2 |
| Ti | 1,5-2,8 | 2,2-2,4 | 2,3 |
| Nb | 0,8-1,45 | 1,25-1,45 | 1,3 |
| Та | меньше, чем Nb | менее 0,5 | 0,0 |
| Nb+0,508Та | 1,15-1,45 | 1,25-1,45 | 1,3 |
| В | 0,001-0,025 | 0,002-0,015 | 0,01 |
| Zr | вплоть до 0,4 | 0,005-0,02 | 0,01 |
| С | 0,02-0,15 | 0,08-0,12 | 0,1 |
| Mi | остальное | остальное | остальное |
| γ' | 25-38 об.% | 33-38 об.% |
Формула Nb+0,508Ta была выведена для сохранения постоянного суммарного атомного процентного содержания тантала и ниобия в сплаве, но с очевидным предпочтением ниобию. Тантал предпочтительно содержится ниже тех уровней, которые допустимы в GTD-222, а более предпочтительно полностью исключен из состава сплава, принимая во внимание результаты исследования, изложенного выше. Диапазоны, установленные для ниобия, являются, как полагают, необходимыми для компенсации отсутствия или уменьшения уровня тантала с тем, чтобы сохранить свойства, желательные для сплава и проявленные сплавами В1 и В2 при исследовании. Полагают, что сплав, идентифицированный выше в таблице 2, может быть удовлетворительно термически обработан с использованием той термообработки, которая описана выше, хотя могут использоваться традиционные виды термообработки, приспособленные для сплавов на основе никеля.
Несмотря на то, что изобретение описывалось относительно предпочтительного варианта его осуществления, очевидно, что и другие формы могут быть выбраны специалистом в данной области техники. Поэтому объем изобретения должен быть ограничен только нижеследующей формулой изобретения.
1. Литейный свариваемый сплав на основе никеля, состоящий по существу из, мас.%: 10-25 кобальта, 20-28 хрома, 1-3 вольфрама, 0,5-1,5 алюминия, 1,5-2,8 титана, 0,8-1,45 ниобия, тантала в количестве, меньшем чем ниобий, причем Nb+0,508Ta составляет 1,15-1,45, 0,001-0,025 бора, вплоть до 0,4 циркония, 0,02-0,15 углерода, остальное по существу никель и случайные примеси.
2. Сплав по п.1, в котором содержание ниобия составляет по меньшей мере 1,25 мас.%.
3. Сплав по п.1, в котором содержание кобальта составляет 18,5-19,5 мас.%, содержание хрома составляет 22,2-22,8 мас.%, содержание вольфрама составляет 1,8-2,2 мас.%, содержание алюминия составляет 1,1-1,3 мас.%, содержание титана составляет 2,2-2,4 мас.%, содержание бора составляет 0,002-0,015 мас.%, содержание циркония составляет 0,005-0,4 мас.% и содержание углерода составляет 0,08-0,12 мас.%.
4. Сплав по п.1, который содержит по меньшей мере 18 об.% выделившейся гамма-штрих фазы.
5. Сплав по п.1, который содержит от примерно 25 до примерно 38 об.% выделившейся гамма-штрих фазы.
6. Сплав по п.1, который имеет форму литого соплового аппарата газотурбинного двигателя.
7. Сплав по п.6, в котором сопловой аппарат установлен во второй или третьей ступени турбины газотурбинного двигателя.
8. Литейный свариваемый сплав на основе никеля, состоящий по существу из, мас.%: 10-25 кобальта, 20-28 хрома, 1-3 вольфрама, 0,5-1,5 алюминия, 1,5-2,8 титана, 0,8-1,45 ниобия, 0,001-0,025 бора, вплоть до 0,4 циркония, 0,02-0,15 углерода, остальное по существу никель и случайные примеси.
9. Сплав по п.8, в котором содержание ниобия составляет по меньшей мере 1,25 мас.%.
10. Сплав по п.8, в котором содержание кобальта составляет 18,5-19,5 мас.%, содержание хрома составляет 22,2-22,8 мас.%, содержание вольфрама составляет 1,8-2,2 мас.%, содержание алюминия составляет 1,1-1,3 мас.%, содержание титана составляет 2,2-2,4 мас.%, содержание бора составляет 0,002-0,015 мас.%, содержание циркония составляет 0,005-0,4 мас.% и содержание углерода составляет 0,08-0,12 мас.%.
11. Сплав по п.8, который содержит по меньшей мере 18 об.% выделившейся гамма-штрих фазы.
12. Сплав по п.8, который содержит от примерно 25 до примерно 38 об.% выделившейся гамма-штрих фазы.
13. Сплав по п.8, который имеет форму литого соплового аппарата газотурбинного двигателя.
14. Сплав по п.13, в котором сопловой аппарат установлен во второй или третьей ступени турбины газотурбинного двигателя.
