Состав жаропрочного никелевого сплава для монокристального литья (варианты)

Изобретение относится к металлургии сплавов, а именно к производству сплавов на основе никеля, используемых для деталей с монокристаллической структурой, например лопаток турбин, работающих при высоких температурах. Сплав по первому варианту содержит, мас.%: хром - 0,5-4,0, алюминий - 4,0-7,0, вольфрам - 12,0-16,0, тантал - 3,0-12,0, кобальт - 4,0-9,0, иттрий - 0,003-0,1, лантан - 0,001-0,1, церий - 0,003-0,1, никель - остальное и характеризуется высокой жаропрочностью. Для повышения жаропрочности, улучшения литейных свойств, технологической пластичности и повышения коррозионной стойкости сплав по второму варианту содержит, мас.%: хром - 0,5-4,0, алюминий - 4,0-7,0, титан ≤2,0, молибден ≤4,0, вольфрам - 12,0-16,0, тантал - 3,0-12,0, кобальт 4,0-9,0, ниобий ≤2,0, иттрий - 0,003-0,1, лантан - 0,001-0,1, церий - 0,003-0,1, углерод ≤0,1, никель - остальное. 2 н.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

 

Изобретения относятся к металлургии сплавов, а именно к производству сплавов на основе никеля, используемых для деталей с монокристаллической структурой, например лопаток турбин, работающих при высоких температурах.

Известен никелевый жаропрочный сплав для монокристального литья CMSX-2 содержащий (мас.%): хром - 8,0, кобальт 5,0, алюминий 5,6, вольфрам - 8,0, молибден - 0,6, тантал - 6,0, титан - 1,0, никель - остальное до 100%. («Труды международной научно-технической конференции 25-26 апреля 2006 г. М.: ВИАМ, 2006 г., с.43, табл.1) - аналог.

Недостатком данного решения является низкая жаропрочность, например, предел длительной прочности сплава σ100¹⁰⁰⁰=214 МПа (Сборник «Литейные жаропрочные сплавы» под ред Каблова Е.Н. М.: Наука, 2006 г., с.74, табл.9).

Известен никелевый жаропрочный сплав ЖС-40, содержащий хром - 6,0, алюминий - 5,0-5,8, вольфрам - 6,0-7,8, тантал - 6,0-7,8, молибден - 3,5-4,8, кобальт - 5,0, ниобий - 0,05-0,50, никель - остальное до 100% («Литые лопатки газотурбинных двигателей». М., МИСИС, 2001 г., с.53, табл.2.3) - прототип.

Недостатком известного монокристального сплава с ориентацией [001] предназначенного для изготовления высоконагруженных деталей, например лопаток газовых турбин, работающих при температуре до 1000°С, также является недостаточная для заявляемой области применения жаропрочность (σ100¹⁰⁰⁰≈240 МПа).

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является повышение жаропрочности никелевых сплавов для монокристального литья, например лопаток газотурбинных двигателей.

Заявляемый технический результат достигается тем, что никелевый жаропрочный сплав содержит хром, алюминий, вольфрам, тантал, кобальт, иттрий, церий, лантан и никель в следующем соотношении компонентов (мас.%):

хром - 0,5-4,0

алюминий - 4,0-7,0

вольфрам - 12,0-16,0

тантал - 3,0-12,0

кобальт - 4,0-9,0

иттрий - 0,003-0,1

лантан - 0,001-0,1

церий - 0,003-0,1

никель - остальное до 100%.

Известен никелевый жаропрочный сплав для монокристального литья CMSX-2, содержащий (мас.%): хром - 8,0, кобальт - 5,0, алюминий - 5,6, вольфрам - 8,0, молибден - 0,6, тантал - 6,0, титан - 1,0, никель - остальное до 100%. («Труды международной научно-технической конференции 25-26 апреля 2006 г. М.: ВИАМ, 2006 г., с.43, табл.1) - аналог.

Недостатком данного решения является низкая жаропрочность, например, предел длительной прочности сплава σ100¹⁰⁰⁰=214 МПа. (Сборник «Литейные жаропрочные сплавы» под ред Каблова Е.Н. М.: Наука, 2006 г., с.74, табл.9).

Известен никелевый жаропрочный сплав ЖС-40, содержащий хром - 6,0, алюминий - 5,0-5,8, вольфрам - 6,0-7,8, тантал - 6,0-7,8, молибден - 3,5-4,8, кобальт - 5,0, ниобий - 0,05-0,50, никель - остальное до 100% («Литые лопатки газотурбинных двигателей». М., МИСИС, 2001 г., с.53, табл.2.3.) - прототип.

Недостатком известного монокристального сплава с ориентацией [001], предназначенного для изготовления высоконагруженных деталей, например лопаток газовых турбин, работающих при температуре до 1000°С, является недостаточная коррозионная стойкость, технологическая пластичность, а также недостаточная для заявляемой области применения жаропрочность (σ100¹⁰⁰⁰≈240 МПа).

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является повышение жаропрочности никелевых сплавов для монокристального литья, например лопаток газотурбинных двигателей, улучшение литейных свойств сплава, его технологической пластичности и повышение коррозионной стойкости заявляемого сплава.

Указанный технический результат достигается тем, что никелевый жаропрочный сплав содержащий хром, алюминий, титан, молибден, вольфрам, тантал, кобальт, ниобий, иттрий, лантан, церий и никель, дополнительно содержит углерод, при следующем соотношении компонентов (мас.%):

хром - 0,5-4,0

алюминий - 4,0-7,0

титан ≤2,0

молибден ≤4,0

вольфрам - 12,0-16,0

тантал - 3,0-12,0

кобальт 4,0-9,0

ниобий ≤2,0

иттрий - 0,003-0,1

лантан - 0,001-0,1

церий - 0,003-0,1

углерод ≤0,1

никель - остальное до 100%.

Как известно, успехи в разработке высокожаропрочных никелевых сплавов последних поколений в значительной мере связаны с легированием сплавов большим количеством рения, например 9,3 мас.% в сплаве ЖС-47, и/или рутения, например, 6 мас.% в сплаве TMS-162 (Е.Н.Каблов, Н.В.Петрушин «Современные литые никелевые жаропрочные сплавы», Сборник трудов Международной технической конференции. М.: ВИАМ, 2006 г., с.43). Однако в связи с тем, что рений и особенно рутений являются очень дорогими и дефицитными металлами, возникает вопрос о том, полностью ли исчерпаны возможности улучшения жаропрочных сплавов, в том числе и никелевых, путем их легирования традиционными, менее дорогими и более доступными элементами, например, такими как вольфрам, тантал и другими.

Авторами проведен анализ системы легирования жаропрочных никелевых сплавов с точки зрения значений энергии связи (энергии когезии) легирующих элементов. Рассматривая энергию связи элементов фундаментальным параметром, определяющим уровень механических свойств и эксплуатационных характеристик материала, установлено распределение легирующих элементов жаропрочных сплавов по значениям энергии связи для обобщенной системы легирования никелевых жаропрочных сплавов: Ni, Со, Cr, V, Ti, Al, Ru, Mo, Nb, Zr, Hf, Та, W, Re, Os, Ir.

Полученная диаграмма распределения легирующих элементов по значениями энергии связи (энергии когезии) приведена на чертеже.

При анализе приведенных на диаграмме данных будем предполагать, что вклад в энергию связи сплава конкретного легирующего элемента, например тантала, прямо пропорционален величине его собственной энергии связи и содержанию данного элемента в сплаве в атомных процентах. При этом обязательно наличие в сплаве основного γ'-образующего элемента - алюминия, причем его содержание позволяет обеспечивать образование необходимого количества упрочняющей γ'-фазы, выделяющейся при распаде пересыщенного твердого раствора.

С учетом вышеизложенного, базовой системой никелевых жаропрочных сплавов будем считать Ni-Al с возможностью замещения некоторого количества алюминия титаном.

Результаты, представленные на диаграмме, показывают, что первым элементом, способствующим наибольшему повышению энергии связи никеля, следует считать вольфрам. Поэтому базовая система никелевых жаропрочных сплавов в первую очередь должна содержать вольфрам, причем его количество целесообразно держать на максимально возможном высоком уровне, когда его предельное содержание ограничено величиной растворимости вольфрама в никелевом сплаве. При этом следует иметь в виду, что замена вольфрами танатлом или рением нецелесообразна, так как когезивная прочность сплава при такой замене повышаться не будет.

Следующий элемент для легирования никелевых жаропрочных сплавов - тантал. Тантал целесообразно вводить в жаропрочные сплавы на фоне высокого содержания вольфрама, контролируя возможность выделения в сплаве Та-содержащих промежуточных фаз.

Использование принципа многокомпонентного легирования в данном случае целесообразно потому, что это позволяет увеличить в жаропрочных сплавах суммарное содержание легирующих элементов с высокой когезивной прочностью, обеспечивая максимальное упрочнение всего сплава.

При анализе диаграммы, представленной на чертеже, обращает на себя внимание следующее: обязательный компонент последних модификаций жаропрочных сплавов - рутений, почти аналогичен молибдену. Среди γ'-образующих элементов, которые могут способствовать повышению когезивной прочности жаропрочных сплавов, кроме уже рассмотренного тантала, следует отметить титан и ниобий.

На основе вышеизложенного авторами были разработаны заявляемые сплавы.

Особенностью заявляемого сплава по первому варианту (КС-1) является высокое содержание вольфрама в пределах от 12,0 до 16,0 мас.%. Верхний предел содержания вольфрама ограничивает область концентраций, при выходе за которую возрастает вероятность выделения вольфрама из твердого раствора в виде α-фазы, которая не является таким эффективным упрочнителем, как γ'-фаза на основе Ni3Al, а при содержании вольфрама ниже 12 мас.% его стабилизирующее воздействие на структуру и благоприятное влияние на жаропрочность ослабляется.

Заявляемое количество тантала вводится в состав никелевого жаропрочного сплава на фоне высокого содержания вольфрама. Система легирования заявляемого сплава (КС-1) сбалансирована таким образом, чтобы в сплаве не происходило выделения α-фазы несмотря на то, что тантал так же, как и вольфрам имеет ОЦК решетку. Влияние тантала на свойства заявляемого сплава во многом сходно с влиянием вольфрама, тантал также характеризуется высокой когезивной прочностью, что характерно и для заявляемого в заданном соотношении компонентов сплава. Тантал распределяется между γ-матрицей и упрочняющей γ'-фазой, стабилизируя и упрочняя обе основные фазы жаропрочного сплава. При содержании тантала больше 10 мас.% возрастает вероятность его выпадения из твердого раствора в виде интерметаллидов Ni-Ta, а при содержании - меньше 5 мас.% его воздействие на свойства заметно снижается.

Введение в заявляемый состав жаропрочного сплава заявляемого количества хрома обусловлено необходимостью повышения его жаростойкости. При увеличении содержания хрома выше 4 мас.% возрастает вероятность образования топологически-плотноупакованной (ТПУ) фазы на основе хрома, которая охрупчивает сплав.

Легирование сплава кобальтом в заявляемых количествах обусловлено необходимостью улучшения технологических характеристик сплава - технологической пластичности и литейных свойств, а также стойкости к коррозии.

Система микролегирующих добавок, а именно совместное использование лантана, иттрия и церия в заявляемых количествах, обеспечивает стабилизацию структурных дефектов в монокристаллах заявляемого сплава, а совместно с остальными компонентами состава сплава обеспечивает повышение жаропрочности по сравнению с прототипом.

Особенностью заявляемого сплава по второму варианту является аналогичность влияния вольфрама, тантала, кобальта и системы микролегирующих добавок (иттрий, лантан и церий), но кроме этого на свойства заявляемого сплава по второму варианту влияет наличие в его составе титана, молибдена, ниобия и углерода.

Алюминий и титан - это основные γ' образующие элементы, количество которых, с одной стороны, обеспечивает образование необходимого содержания упрочняющей γ'-фазы, а с другой стороны, ограничивает объем избыточной эвтектики (γ'+γ) и способствует повышению коррозионной стойкости сплава.

Ниобий и молибден обеспечивают повышение долговечности материала в области температур ≈1000°С. Углерод вводится в состав сплава для образования второй упрочняющей фазы жаропрочных сплавов - карбидов. Суммарное содержание в заявляемом сплаве углерода и карбидообразующих элементов обеспечивает отсутствие охрупчивающих ТПУ фаз.

Заявляемый состав жаропрочного никелевого сплава по второму варианту в количественном и качественном составе обеспечивает наряду с повышением жаропрочности, улучшением литейных свойств сплава и его технологической пластичности и повышение коррозионной стойкости.

Примеры конкретного выполнения.

Для апробации результатов были отлиты сплавы по первому и второму вариантам. Отливка сплавов осуществлялась в вакуумно-индукционной печи «Кристалл» емкостью 5-10 кг. Порядок введения компонентов заявляемых составов сплавов является стандартным: никель, хром, кобальт, вольфрам, молибден, тантал, углерод, плавление, раскисление углеродом, последующее введение титана, алюминия и микролегирующих добавок (элементы с высокой активностью к кислороду) и разливка.

Для апробации сплава по первому варианту были выплавлены два состава сплава (один заявляемый и один сплав-прототип - ЖС-40), содержащих компоненты (в мас.%), приведенные в Таблице 1.

Монокристальная структура, ориентация оси роста [001].

Таблица 1.
№ п/п	Компоненты состава сплавов
	Cr	Al	W	Та	Со	Y	La	Се	Ni
Заявляемый сплав	3,3	5,19	16,0	6,3	6,0	0,02	0,02	0,02	Ост.
ЖС-40	6,0	5,4	6,5	6,5	5,0	Nb-0,3	Mo-4,0	-	Ост.

После чего литые образцы, подвергнутые высокотемпературной газостатической обработке (заявляемый сплав) и термической обработке, испытывались.

Результаты испытаний.

Сплав ЖС-40 (прототип):

Т=900°С, σ₁₀₀=440 МПа, σ₅₀₀=350 МПа,

Т=1000°С, σ₁₀₀=240 МПа, σ₅₀₀=190 МПа (Сборник «Литейные жаропрочные сплавы» под ред. Каблова Е.Н. М.: Наука, 2006 г., с.54, табл.2.4).

Заявляемый сплав.

Т=900°С, σ₁₀₀=467 МПа, σ₅₀₀=371 МПа,

Т=1000°С, σ₁₀₀=255 МПа, σ₅₀₀=201 МПа

Для апробации сплава по второму варианту были выплавлены два состава сплава (один заявляемый и один сплав-прототип - ЖС-40), содержащих компоненты (в мас.%), приведенные в Таблице 2.

№ п/п	Компоненты состава сплавов
	Cr	Al	W	Та	Со	Y	La	С	Се	Ti	Mo	Nb	Ni
Заявляемый сплав	2,3	5,2	16,5	6,7	4,9	0,02	0,02	0,017	0,02	0,5	0,1	0,3	Ост.
ЖС-40	6,0	5,4	6,5	6,5	5,0	Nb-0,3	-	-	-	-	4,2	0,4	Ост.

После чего литые образцы, подвергнутые высокотемпературной газостатической обработке (заявляемый сплав) и термической обработке, испытывались.

Результаты испытаний.

Сплав ЖС-40 (прототип):

Т=900°С, σ₁₀₀=440 МПа, σ₅₀₀=350 МПа,

Т=1000°С, σ₁₀₀=240 МПа, σ₅₀₀=190 МПа

Заявляемый сплав.

Т=900°С, σ₁₀₀=471 МПа, σ₅₀₀=379 МПа,

Т=1000°С, σ₁₀₀=252 МПа, σ₅₀₀=200 МПа.

Введение дополнительных легирующих элементов в заявляемый сплав по второму варианту приводит к уменьшению литейной пористости в междендритных областях сплава: объемная доля пор уменьшается на 20-30% по сравнению с прототипом. Известно, что на литейных порах может происходить образование микротрещин, способных превращаться в магистральные трещины при разрушении деталей.

Приведенные результаты испытаний показывают, что по сравнению с прототипом заявляемые сплавы по первому и второму вариантам обеспечивают достижение заявленного технического результата.

1. Состав жаропрочного никелевого сплава для монокристального литья, содержащий никель, хром, кобальт, вольфрам, алюминий и тантал, отличающийся тем, что он дополнительно содержит иттрий, лантан и церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

хром	0,5-4,0
алюминий	4,0-7,0
вольфрам	12,0-16,0
тантал	3,0-12,0
кобальт	4,0-9,0
иттрий	0,003-0,1
лантан	0,001-0,1
церий	0,003-0,1
никель	остальное

2. Состав жаропрочного никелевого сплава для монокристального литья, содержащий никель, хром, кобальт, вольфрам, алюминий, тантал, ниобий и молибден, отличающийся тем, что он дополнительно содержит иттрий, лантан, церий, титан и углерод при следующем соотношении компонентов, мас.%:

хром	0,5-4,0
алюминий	4,0-7,0
титан	≤2,0
молибден	≤4,0
вольфрам	12,0-16,0
тантал	3,0-12,0
кобальт	4,0-9,0
ниобий	≤2,0
иттрий	0,003-0,1
лантан	0,001-0,1
церий	0,003-0,1
углерод	≤0,1
никель	остальное