Жаропрочный литейный сплав на основе никеля

Изобретение относится к области металлургии, в частности к жаропрочным литейным сплавам на основе никеля, используемым для изготовления высоконагруженных деталей, а именно лопаток газовых турбин с направленной столбчатой и монокристаллической структурой, работающих при температурах 1000°С и выше. Жаропрочный сплав содержит компоненты в мас.%: хром 5,0-8,0, кобальт 9,0-12,0, вольфрам 14,0-16,0, алюминий 4,0-6,0, тантал 6,0-10,0, углерод 0,002-0,1, иттрий 0,001-0,1, лантан 0,001-0,1, церий 0,001-0,1, кремний 0,01-0,3, магний 0,01-0,15, марганец 0,01-0,3, никель - остальное. Суммарное содержание вольфрама и тантала находится в пределах, мас.%: 21,9≤(W+Ta)≤23,5, а суммарное содержание хрома и кобальта находится в пределах, мас.%: 17,2≤(Cr+Со)≤18,8. Изобретение обеспечивает увеличение высокотемпературной прочности сплава при одновременном существенном снижении его стоимости и дефицитности. 2 табл.

 

Изобретение относится к металлургии, а именно к жаропрочным сплавам на основе никеля, используемым при производстве деталей, работающих в условиях воздействия высоких температур и сплошного комплекса нагрузок (статические, термические, усталостные и другие виды нагружений), в частности рабочих и сопловых лопаток газовых турбин, температура которых достигает 1100-1150°С, с направленной столбчатой или монокристальной структурами.

Известен жаропрочный сплав на основе никеля, предназначенный для литья методом направленной кристаллизации, имеющий следующий химический состав (мас.%):

углерод	0,08-0,2
хром	4,0-6,0
кобальт	8,0-10,0
вольфрам	7,0-10,0
молибден	0,5-2,0
ниобий	1,2-2,0
алюминий	5,0-7,0
рений	3,0-5,0
тантал	3,0-5,0
бор	0,005-0,03
ванадий	0,01-0,15
церий	0,001-0,04
иттрий	0,003-0,04
лантан	0,001-0,1
кремний	0,01-0,2
кислород	0,0001-0,002
азот	0,0001-0,002
никель	остальное

(см. патент №2365656 класса С22С 19/05, опубл. в 2009 г.).

Сплав обладает достаточным уровнем жаропрочности и предназначен для литья рабочих и сопловых лопаток газотурбинных двигателей с направленной столбчатой или монокристальной структурой. Однако он отличается высокой стоимостью шихты (вследствие наличия в его составе остродефицитного и дорогостоящего элемента рения).

Известен также жаропрочный никелевый сплав для литья лопаток с монокристаллической структурой, имеющий следующий средний состав (мас.%):

хром	4,2
кобальт	12,5
вольфрам	6,0
молибден	1,4
алюминий	5,75
рений	5,4
тантал	7,2
гафний	0,15
углерод	0,05
бор	0,004
иттрий	0,01
никель	остальное

(патент США №5270123 класса С22С 19/05, опубл. в 1993 г.).

Уровень жаропрочности этого сплава при 1000°С составляет Однако из-за значительного содержания рения этот сплав также отличается высокой стоимостью, превышающей цену обычных безрениевых жаропрочных никелевых сплавов в 2-6 раз.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является литейный жаропрочный сплав на основе никеля, предназначенный для литья деталей с монокристаллической структурой, например лопаток газовых турбин, работающих при высоких температурах, сплав 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

(патент РФ №2348724 класса С22С 19/05, опубл. в 2009 г.).

Указанный сплав обладает высокой жаропрочностью и сравнительно низкой стоимостью. Однако уровень его жаростойкости является недостаточным. Кроме того, в процессе длительной наработки в нем возможно образование охрупчивающих сплав топологически плотноупакованных фаз, снижающих работоспособность этого материала.

Задачей изобретения является повышение уровня жаропрочности литейного никелевого сплава при снижении его стоимости.

Указанная задача решается тем, что в известный жаропрочный литейный сплав на основе никеля, содержащий хром, кобальт, углерод, алюминий, вольфрам, тантал, лантан, иттрий, церий, дополнительно введены магний, кремний и марганец при следующем соотношении компонентов (мас.%):

хром	5,0-8,0
кобальт	9,0-12,0
вольфрам	14,0-16,0
алюминий	4,0-6,0
тантал	6,0-10,0
углерод	0,002-0,1
иттрий	0,001-0,1
лантан	0,001-0,1
церий	0,001-0,1
магний	0,01-0,15
кремний	0,01-0,3
марганец	0,01-0,3
никель	остальное

при этом суммарное содержание (мас.%) вольфрама и тантала находится в пределах 21,9≤(W+Ta)≤23,5, а суммарная концентрация хрома и кобальта ограничена значениями (мас.%) 17,2≤(Cr+Со)≤18,8.

В заявленном сплаве увеличено содержание хрома и кобальта, что обеспечило с одной стороны повышение его жаростойкости и стойкость к воздействию солевой коррозии, а с другой стороны, возникли условия, при которых образование вредных топологически плотноупакованных фаз (ТПУ-фаз) стало крайне затруднительным. В частности, при указанном содержании хрома и кобальта, а также вольфрама и тантала концентрация электронных вакансий элементов в γ'-фазе меньше 0,91, в то время как ТПУ-фазы начинают образовываться при значениях , превышающих 0,93.

В то же время расчеты, выполненные с применением созданных методов интеллектуальной инженерии, позволяющих осуществлять оценку факторов, определяющих структурную стабильность сплавов, в том числе, вероятность образования ТПУ-фаз, показали, что оптимальные, удовлетворяющие условиям обеспечения структурной стабильности суммарные величины концентраций в сплаве (вольфрама + тантала) и (хрома + кобальта) являются достаточно узкими и должны находиться в пределах 21,9≤(W+Ta)≤23,5 и 17,2≤(Cr+Со)≤18,8. Кроме того, в сплав дополнительно введены магний, кремний, марганец.

Экспериментальные исследования показали, что введение (0,01-0,15) мас.% магния оказывает значительное положительное влияние на структуру и свойства сплавов:

при легировании монокристальных сплавов малым количеством магния он выступает в качестве дополнительного раскислителя жидкого металла;

микро- и наночастицы, содержащие соединения магния, являются центрами образования γ'-фазы при распаде γ-твердого раствора, что приводит к улучшению процесса выделения упрочняющей γ'-фазы, увеличению ее объема и степени дисперсности;

частицы соединений магния, находящиеся на межфазных и малоугловых границах, совершенствуют их, тормозят процессы коагуляции и рекристаллизации, снижают диффузионную подвижность атомов при высоких температурах и тем самым улучшают жаропрочность. Положительный результат от дополнительного введения магния подтверждается заметным повышением жаропрочности заявленного сплава.

Введение в сплав малых добавок кремния обеспечивает его дополнительную очистку от кислорода, поскольку образующиеся в жидком металле окислы SiO₂ в результате высокотемпературного взаимодействия с футеровкой соединяются с материалом тигля. Это позволяет повысить чистоту сплава по газовым примесям.

Легирование сплава марганцем обеспечивает улучшение его технологических характеристик, в т.ч. жидкотекучести. Увеличение температур критических параметров сплава - температур солидус, неравновесный солидус, температуры образования эвтектической неравновесной γ'-фазы связано с необходимостью увеличения температуры жидкого металла и температуры формы при отливке деталей, что, в свою очередь, приводит из-за усиления его взаимодействия с материалом формы к определенному снижению качества сплава.

Введение марганца, улучшая технологичность сплава, позволяет исключить данные отрицательные факторы.

Указанные элементы наряду с лантаном, иттрием и церием обеспечили увеличение количества и степени дисперсности выделяющейся упрочняющей γ'-фазы, улучшили состояние межфазных границ и субграниц, стабильность структуры, что привело к повышению жаропрочности и жаростойкости, замедлению процесса разупрочнения сплава; при этом совокупный эффект оказывается гораздо выше, чем суммарное влияние этих элементов.

Для апробации сплава были выплавлены три состава, содержащие компоненты, указанные в таблице 1. Предлагаемый сплав выплавляли в вакуумной индукционной печи, а затем переплавляли в печи для направленной кристаллизации типа УВНК-8П с применением затравок с заданной ориентацией. Свойства полученных сплавов приведены в таблице 2.

Легирование углеродом, лантаном, иттрием и церием осуществлялось расчетным путем, и в дальнейшем их концентрация не определялась.

Анализ полученных результатов показывает, что преложенный сплав имеет уровень 100-часовой длительной прочности при 1000°С порядка 270 МПа, что превышает соответствующий показатель сплава-аналога, а также сплавов, легированных 3-5 мас.% рения и тантала.

При этом стоимость шихты предлагаемого сплава ~65 USD/кг вместо 452 USD/кг (патент РФ №2365656) и 606,5 USD/кг (патент США №5270123) сплавов с сопоставимым уровнем жаропрочности.

Таким образом, предлагается состав сплава, обеспечивающий высокий уровень жаропрочности, принципиальным отличием которого от известных ранее является существенно более низкая (в 8-9 раз) стоимость шихтовых материалов, а также отсутствие в нем остродефицитного и крайне дорогого элемента рения.

Выполненные исследования показали, что структура сплава, несмотря на достаточно высокое (определяющее требуемый уровень жаропрочности) содержание дисперсной γ'-фазы, отличается незначительным количеством эвтектической γ'-фазовой составляющей, в ней отсутствуют ТПУ- и α-фазы, т.е. все введенные элементы не приводят к выделению отдельных снижающих работоспособность сплава фаз, а обеспечивают свой вклад в улучшение жаропрочности, жаростойкости и технологичности.

Жаропрочный литейный сплав на основе никеля, содержащий хром, кобальт, вольфрам, алюминий, тантал, углерод, иттрий, лантан, церий, отличающийся тем, что в него введены марганец, кремний и магний при следующем соотношении компонентов, мас.%:

хром	5,0-8,0
кобальт	9,0-12,0
вольфрам	14,0-16,0
алюминий	4,0-6,0
тантал	6,0-10,0
углерод	0,002-0,1
иттрий	0,001-0,1
лантан	0,001-0,1
церий	0,001-0,1
кремний	0,01-0,3
магний	0,01-0,15
марганец	0,01-0,3
никель	остальное

при этом суммарное содержание вольфрама и тантала находится в пределах, мас.%, 21,9≤(W+Ta)≤23,5, а суммарное содержание хрома и кобальта находится в пределах, мас.%, 17,2≤(Cr+Со)≤18,8.