Порошковый жаропрочный сплав на основе никеля
Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам порошковых жаропрочных сплавов на основе никеля, и может быть использовано для тяжелонагруженных деталей - дисков и валов, работающих при повышенных температурах в газотурбинных двигателях. Заявлен порошковый жаропрочных сплав, содержащий мас.%: углерод - 0,06-0,14, хром - 10,0-12,0, кобальт - 4,0-6,0, вольфрам - 1,0-2,0, молибден - 5,0-5,6, титан - 3,0-3,6, алюминий - 4,5-5,5, ниобий - 2,5-3,2, бор - 0,005-0,05, цирконий - 0,001-0,05, магний - 0,001-0,05, церий - 0,001-0,05, лантан - 0,005-0,05, никель - остальное. При этом отношение суммарного содержания вольфрама и молибдена к суммарному содержанию алюминия и титана составляет 0,66-1,01. Технический результат - повышение жаропрочности, увеличение ресурса работы двигателя при повышенных рабочих температурах. 2 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 (в 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).
Недостатком этого сплава являются низкие характеристики пластичности при комнатной и рабочих температурах.
Известен жаропрочный порошковый никелевый сплав, предназначенный для деталей газовых турбин состава 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
(патент РФ 2299919, С22С 19/05, (22С 1/04, 2006 год) - прототип.
Недостатками этого сплава являются низкие значения жаропрочности при рабочих температурах и его высокая себестоимость.
Предлагается сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, алюминий, ниобий, бор, цирконий, магний, никель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит церий и лантан, при следующем соотношении компонентов в мас.%:
Углерод - 0,06-0,14
Хром - 10,0-12,0
Кобальт - 4,0-6,0
Вольфрам - 1,0-2,0
Молибден - 5,0-5,6
Титан - 3,0-3,6
Алюминий - 4,5-5,5
Ниобий - 2,5-3,2
Бор - 0,005-0,05
Цирконий - 0,001-0,05
Магний - 0,001-0,05
Церий - 0,001-0,05
Лантан - 0,001-0,05
Никель - остальное.
И отношение суммарного содержания вольфрама и молибдена к суммарному содержанию алюминия и титана 0,66-1,01.
Технический результат - повышение жаропрочности сплава, что ведет к увеличению ресурса работы двигателя при повышенных рабочих температурах. Кроме того, минимальное содержание дефицитного и дорогостоящего вольфрама и отсутствие гафния существенно снижает себестоимость сплава и изделий из него.
Сплав, содержащий предложенные компоненты при заявленных соотношениях, обеспечивает повышенное содержание γ'-фазы и таким образом повышенную прочность тела зерна. Дополнительное введение церия и лантана, сегрегирующих по границам зерен, увеличивает их прочность. Совместное увеличение прочности тела и границы зерна повышает механические характеристики, в том числе жаропрочность при рабочих температурах.
Уменьшение γ'-образующих элементов вольфрама и гафния с целью уменьшения себестоимости сплава делает возможным увеличение алюминия и титана. Минимальное содержание вольфрама делает также необходимым введение дополнительного количества молибдена при повышенном содержании ниобия. Дополнительное введение таких сильных карбидообразующих элементов, как титан, молибден и ниобий, делает необходимым увеличение содержания углерода по сравнению с прототипом и с обычно используемым содержанием углерода в порошковых жаропрочных никелевых сплавах.
При этом отношение суммы вольфрама и молибдена к сумме алюминия и титана менее 0,66, то есть уменьшение содержания карбидообразующих элементов по сравнению с γ'-образующими элементами, приводит к нарушению равенства прочности тела и границы зерна. То же самое происходит при увеличении этого отношения более 1,01. Различие в том, что в первом случае уменьшается прочность границы зерна, а во втором - уменьшается прочность тела зерна.
Пример
Методом порошковой металлургии были изготовлены заготовки из предлагаемого состава (№1, 2, 3), выходящие за пределы предлагаемого состава (№4, 5) и состава-прототипа (№6) (таблица 1).
В таблице 2 приведены характеристики жаропрочности при рабочих температурах 650 и 750°С.
| Таблица 1 | ||||||
| Химический состав изготовленных сплавов | ||||||
| Химический состав, мас.% | Предложенный сплав | Составы за пределами предложенного | Состав 6 (способ-прототип) | |||
| Состав 1 | Состав 2 | Состав 3 | Состав 4 | Состав 5 | ||
| Углерод | 0,06 | 0,09 | 0,14 | 0,06 | 0,04 | 0,04 |
| Хром | 11,0 | 10,0 | 12,0 | 10,5 | 4,0 | 4,0 |
| Кобальт | 6,0 | 4,0 | 5,0 | 4,0 | 3,5 | 3,0 |
| Вольфрам | 2,0 | 1,5 | 1,0 | 2,5 | 0,5 | 5,5 |
| Молибден | 5,5 | 5,6 | 5,0 | 4,2 | 4,8 | 4,0 |
| Алюминий | 4,5 | 5,0 | 5,5 | 4,0 | 5,7 | 4,7 |
| Титан | 3,6 | 3,2 | 3,0 | 2,0 | 2,5 | 2,5 |
| Ниобий | 2,5 | 3,2 | 3,0 | 2,0 | 1,4 | 1,4 |
| Гафний | - | - | - | 0,08 | 1,2 | 0,3 |
| Бор | 0,005 | 0,001 | 0,05 | 0,006 | 0,006 | 0,006 |
| Цирконий | 0,05 | 0,001 | 0,03 | 0,002 | 0,002 | 0,001 |
| Магний | 0,001 | 0,08 | 0,05 | 0,07 | 0,07 | 0,08 |
| Церий | 0,001 | 0,05 | 0,06 | 0,06 | 0,002 | 0,07 |
| Лантан | 0,08 | 0,05 | 0,005 | 0,006 | 0,002 | - |
| Никель | Остальное | Остальное | Остальное | Остальное | ||
| ΣW, Mo / ΣAl, Ti | 0,92 | 0,86 | 0,70 | 1,11 | 0,84 | 1,32 |
| Таблица 2 | ||
| Жаропрочность предложенного сплава | ||
| Составы сплавов |
 , МПа |
 , МПа |
| Сплав 1 | 1000 | 686 |
| Сплав 2 | 1000 | 686 |
| Сплав 3 | 1000 | 686 |
| Сплав 4 | 940 | 634 |
| Сплав 5 | 930 | 632 |
| Сплав-прототип | 931 | 627 |
Как видно из таблицы 2, жаропрочность предложенного сплава имеет более высокие на 8-10% значения по сравнению с жаропрочностью сплава-прототипа. Кроме того, минимальное содержание в сплаве заявленного состава кобальта и вольфрама при отсутствии гафния снижает себестоимость на 30-40%.
Порошковый жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, алюминий, ниобий, бор, цирконий, магний, церий и никель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит церий и лантан при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Углерод | 0,06-0,14 |
| Хром | 10,0-12,0 |
| Кобальт | 4,0-6,0 |
| Вольфрам | 1,0-2,0 |
| Молибден | 5,0-5,6 |
| Титан | 3,0-3,6 |
| Алюминий | 4,5-5,5 |
| Ниобий | 2,5-3,2 |
| Бор | 0,005-0,05 |
| Цирконий | 0,001-0,05 |
| Магний | 0,001-0,05 |
| Церий | 0,001-0,05 |
| Лантан | 0,005-0,05 |
| Никель | Остальное, |
при этом отношение суммарного содержания вольфрама и молибдена к суммарному содержанию алюминия и титана 0,66-1,01 мас.%.
