Жаропрочный сплав на основе никеля для литья сопловых лопаток с равноосной структурой газотурбинных установок

Изобретение относится к металлургии, в частности к литейным жаропрочным коррозионностойким сплавам на основе никеля, и может быть использовано для изготовления сопловых лопаток с равноосной структурой горячего тракта газотурбинных установок. Жаропрочный сплав на основе никеля для литья сопловых лопаток с равноосной структурой газотурбинных установок содержит, мас.%: углерод 0,07-0,10; хром 20,5-21,6; кобальт 10,8-11,5; вольфрам 2,3-2,6; титан 3,6-3,8; алюминий 2,4-2,7; ниобий 0,5-0,8; бор 0,01-0,013, кальций 0,01-0,2; магний 0,01-0,2; молибден 1,7-2,0; кремний ≤0,1; железо ≤0,1; медь ≤0,05, сера ≤0,005; фосфор ≤0,005; азот ≤20 ppm, кислород ≤15 ppm, никель - остальное. При этом отношение содержания титана к содержанию алюминия составляет 1,4-1,55. Сплав характеризуется высокими показателями, длительной прочностью при рабочих температурах 700-920°C в сочетании с высоким сопротивлением окислению и коррозионным воздействиям, повышенной структурной стабильностью на ресурс и улучшенными технологическими характеристиками. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к литейным жаропрочным коррозионностойким сплавам на основе никеля с хромом и кобальтом, и может быть использовано для изготовления литьем сопловых лопаток с равноосной структурой горячего тракта газотурбинных установок, например, сопловых (направляющих) лопаток, работающих в агрессивных средах при температурах 700-920°C.

Высокие прочностные характеристики сплавов для литья сопловых лопаток достигаются за счет значительного количества (32-40 ат.%) упрочняющей γ′-фазы (Ni₃Al), легированной ниобием, титаном и т.д., а также упрочнением твердого раствора (γ-фазы) кобальтом, хромом, молибденом, вольфрамом. Повышенную коррозионную стойкость обеспечивают повышенным содержанием хрома, высоким отношением содержания титана к содержанию алюминию Ti/Al≥1,0, а также введением редкоземельных элементов. Сопротивление окислению при повышенных температурах обеспечивают введением алюминия, ограничением содержания молибдена, а также введением редкоземельных элементов.

Структурная стабильность на ресурс (исключение образования охрупчивающих фаз) и ограничение образования при кристаллизации неравновесных фаз, на месте которых после их распада при термообработке будут зарождаться поры и трещины, могут быть оценены по известной методике ФАКОМП. Характеристики длительной прочности, критические точки сплава и другие его физико-механические свойства также могут быть оценены по известным методикам.

(H. Harada и др., Сб. Superalloys, 1988; pp.733-742; H. Harada и др., Сб. Superalloys, 2000; pp.729-736; H. Harada, Сб. Alloys Design for Nickel-base Superalloys, 1982, pp.721-735).

Известен жаропрочный сплав с равноосной структурой на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам и/или молибден, и/или рений, алюминий, тантал, цирконий, бор, гафний, кремний, церий и/или лантан, и/или иттрий, и/или диспрозий, и никель при следующем соотношении компонентов, масс.%: углерод 0,01-0,10; хром 17-21; кобальт 2-12; вольфрам 1-4; алюминий 4,0-4,7; тантал 3-7; цирконий 0,01-0,15; бор 0,002-0,02; гафний 0,05-0,1, церий 0,01-0,2; лантан 0,01-0,2; иттрий 0,01-0,2; диспрозий 0,02-0,2; кремний 0,1; никель - остальное.

(RU 2441088; C22C 19/05, опубл. 27.01.2012, вариант п.8 формулы).

Известный сплав используется для изготовления литых сопловых лопаток с равноосной структурой. Данный сплав содержит до ~34 ат.% упрочняющей γ′-фазы, имеет высокие характеристики жаропрочности, структурно стабилен, но обладает умеренной коррозионной стойкостью. Поэтому для этого сплава для повышения коррозионной стойкости и стойкости к окислению при высоких рабочих температурах разработаны специальные термобарьерные покрытия, которые обладают повышенной адгезией в сплаву только при минимальном содержания в нем титана и ниобия, а также ограниченном содержании молибдена. Из-за повышенного содержания в сплаве тантала (до 5,0 мас.%) и обязательного использования специальных защитных покрытий изделия из этого сплава очень дорогие и не соответствуют условию «цена-качество».

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является жаропрочный сплав на основе никеля (JN939) для изготовления литьем сопловых лопаток с равновесной структурой.

Известный сплав содержит углерод, хром, кобальт, вольфрам, цирконий, титан, алюминий, тантал, ниобий, бор и никель при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,13-0,16; хром 22-22,6; кобальт 18,5-19,4; вольфрам 1,9-2,2; цирконий 0,08-0,12; 1; титан 3,6-3,8; алюминий 1,8-2, тантал 1,0-1,5; ниобий 0,8-1,2; бор 0,008-0,012; никель - остальное.

(Сборник. «High Temparature Alloys Gas Turbines», 1982, Proc. Conf. Lige. 4-6, Oct. pp.369-393).

Известный сплав JN939 отличается высокой коррозионной стойкостью, достаточной жаропрочностью (объем упрочняющей γ′-фазы ~35 ат.%), однако обладает пониженной структурной стабильностью на ресурс: в процессе наработки в нем выделяется до 2-3% охрупчивающей σ-фазы и игловидной η-фазы (Ni₃Ti) - 3-5%, что снижает пластические характеристики и тем самым сопротивление термоусталостным воздействиям.

Как показал анализ, оба известных сплава имеют отдельные недостатки, которые не позволяют обеспечить надежную их эксплуатацию в литых сопловых лопатках на ресурс ~50 тыс. час и более.

Кроме того, известные сплавы обладают пониженной технологичностью: не позволяют проводить их аргонно-дуговую сварку при монтажных и ремонтных работах, что вынуждает использовать специальные технологии (плазменные, лазерные), что еще в большей степени удорожает изделия из этих сплавов.

Целью изобретения и его техническим результатом является жаропрочный сплав для литья сопловых лопаток с равноосной структурой газотурбинных установок с повышенной длительной прочностью при рабочих температурах 700-920°C в сочетании с высоким сопротивлением окислению и коррозионным воздействиям, повышенной структурной стабильностью на ресурс и улучшенными технологическими характеристиками.

Технический результат достигается тем, что жаропрочный сплав на основе никеля для литья сопловых лопаток с равноосной структурой газотурбинных установок включает углерод, хром, кобальт, вольфрам, титан, алюминий, ниобий, бор, кальций, магний, молибден, кремний, железо, медь, серу, фосфор, азот, кислород и никель при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,07-0,10; хром 20,5-21,6; кобальт 10,8-11,5; вольфрам 2,3-2,6; титан 3,6-3,8; алюминий 2,4-2,7; ниобий 0,5-0,8; бор 0,01-0,013, кальций 0,01-0,2; магний 0,01-0,2; молибден 1,7-2,0; кремний ≤0,1; железо ≤0,1; медь ≤0,05, сера ≤0,005; фосфор ≤0,005; азот ≤20 ppm, кислород ≤15 ppm, никель - остальное, при этом суммарное содержание алюминия и титана составляет 6,0-6,5 мас.%, а отношение содержания титана к содержанию алюминия 1,4-1,55.

Технический результат также достигается тем, что суммарное содержание кальция и магния составляет менее 0,3 мас.%.

Сплав изготавливают в виде литой прутковой заготовки, предназначенной для последующего переплава и литья лопаток и других деталей газотурбинных установок.

Введение молибдена при оптимальном содержании вольфрама и оптимальном суммарном содержании кальция и магния на уровне 0,2-0,3 мас.%, которое обеспечивает очищение границ зерен от оксидных соединений, повышает пластичность сплава на длительный ресурс, дает повышенную жаропрочность литого сплава.

Кроме того, дополнительное введение молибдена, в сочетании с кальцием и магнием, а также суммарным содержанием алюминия и титана 6,0-6,5 мас.% при отношении содержания титана к содержанию алюминия 1,4-1,55, обеспечивает ограниченное выделение неравновесной эвтектической фазы и получение оптимальной равноосной структуры литых изделий из сплава по изобретению, в котором в процессе наработки исключено появление охрупчивающих фаз. Это приводит к повышению длительной прочности литого металла при повышенных рабочих температурах в сочетании с высоким сопротивлением окислению и коррозионным воздействиям, повышению структурной стабильности на ресурс и улучшению технологических характеристик сплава. Достижение поставленного технического результата дает возможность использовать сплав по изобретению для изготовления литьем сопловых лопаток газотурбинных установок с рабочими температурами 700-920°C.

Получению оптимальной равноосной структуры способствует ограничение содержания газов: кислорода и азота; содержания серы и фосфора. Присутствие в заявленных концентрациях молибдена, а также железа и меди, обеспечивает достижение поставленного технического результата в части проведения аргонно-дуговой сварки сплава при монтажных и ремонтных работах.

Ограничение суммарного содержание кальция и магния - менее 0,3 мас.%, оптимальные содержания хрома и кобальта при отношении содержания титана к содержанию алюминия 1,4-1,55, обеспечивает высокую коррозионную стойкость сплава.

Достижение поставленного технического результата можно проиллюстрировать данными из таблиц 1 и 2.

Из представленных служебных характеристик сравниваемых сплавов видно, что сплав по изобретению с равноосной структурой превосходит известный сплав по комплексу служебных характеристик, в том числе имеет стоимость шихты на 25-30% ниже, по сравнению с прототипом, и обладает повышенной технологичностью при аргонно-дуговой сварке.

Достигаемые повышенные на 10-12% значения жаропрочности при примерно равном сопротивлении окислению и коррозионным воздействиям в условиях агрессивной среды предлагаемого сплава (по сравнению с известным JN939) позволяют увеличить эксплуатационную надежность и срок службы (на ~20%) сопловых лопаток газотурбинных установок, что, как следствие, приводит к снижению годовой потребности в металле.

Сплав по изобретению имеет незначительный разброс значений служебных характеристик, что обеспечивает повышенные минимально гарантированные значения прочности и пластичности, закладываемые конструкторами в расчет изделия. Величины показателей M_{dy крит}≤0,928 и N_v≤2,37 указывают на исключение образования в процессе наработки охрупчивающей σ-фазы.

1. Жаропрочный сплав на основе никеля для литья сопловых лопаток с равноосной структурой газотурбинных установок, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, титан, алюминий, ниобий, бор и никель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кальций, магний, молибден, кремний, железо, медь, серу, фосфор, азот, кислород при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,07-0,10; хром 20,5-21,6; кобальт 10,8-11,5; вольфрам 2,3-2,6; титан 3,6-3,8; алюминий 2,4-2,7; ниобий 0,5-0,8; бор 0,01-0,013, кальций 0,01-0,2; магний 0,01-0,2; молибден 1,7-2,0; кремний ≤0,1; железо ≤0,1; медь ≤0,05, сера ≤0,005; фосфор ≤0,005; азот ≤20 ppm, кислород ≤15 ppm, никель - остальное, при этом отношение содержания титана к содержанию алюминия составляет 1,4-1,55.

2. Жаропрочный сплав по п.1, отличающийся тем, что суммарное содержание кальция и магния составляет менее 0,3 мас.%.