Жаропрочный сплав на основе никеля для литья деталей горячего тракта газотурбинных установок, имеющих равноосную структуру

Изобретение относится к металлургии, в частности к литейным коррозионно-стойким жаропрочным сплавам на основе никеля с хромом и кобальтом, и может быть использовано для изготовления литьем деталей горячего тракта газотурбинных установок, работающих в агрессивных средах при температурах 700-1000°С. Жаропрочный сплав на основе никеля для литья деталей горячего тракта газотурбинных установок, имеющих равноосную структуру, содержит, мас.%: углерод 0,07-0,12; хром 18,3-19,5; кобальт 3,7-4,5; вольфрам 4,6-5,2; алюминий 3,2-3,5; титан 3,9-4,2; тантал 0,9-1,2; ниобий 0,1-0,25; бор 0,008-0,012; церий 0,01-0,012; иттрий 0,01-0,012; молибден 0,15-0,3; гафний 0,05-0,15; марганец 0,01-0,012; никель остальное. Суммарное содержание гафния и ниобия составляет 0,2-0,3 мас.%, суммарное содержание алюминия и титана - 7,2-7,7 мас.% при отношении содержания титана к содержанию алюминия 1,2-1,32. Технический результат - повышение коррозионной стойкости и структурной стабильности на ресурс лопаток и деталей горячего тракта с равноосной структурой при повышенных минимально гарантированных и средних значениях прочности и пластичности при рабочих температурах 880-950°С. 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 1 пр.

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к литейным коррозионно-стойким жаропрочным сплавам на основе никеля с хромом и кобальтом, и может быть использовано для изготовления литьем деталей с равноосной структурой горячего тракта газотурбинных установок (ГТУ), например сопловых (направляющих) лопаток и элементов газотурбинного двигателя, работающих в агрессивных средах при температурах 700-950°С.

Высокие прочностные характеристики таких сплавов достигаются за счет значительного количества (35-55 ат. %) упрочняющей γ′-фазы (Ni3Al), легированной ниобием, титаном, танталом и т.д., а также упрочнением твердого раствора (γ-фазы) кобальтом, хромом, молибденом, вольфрамом.

Повышенную коррозионную стойкость обеспечивают содержанием хрома в количестве 15-23 мас.%, высокой величиной отношения содержания титана к содержанию алюминию ≥1,0, а также введением редкоземельных элементов. Сопротивление окислению при повышенных температурах обеспечивают повышенным содержанием алюминия и тантала, снижением содержания хрома, а также введением редкоземельных элементов.

Известен жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, титан, алюминий, тантал, ниобий, цирконий, бор и никель при следующих соотношениях компонентов, мас.%: углерод 0,13-0,165; хром 22,0-22,6; кобальт 18,5-19,4; вольфрам 1,9-2,2; титан 3,6-3,8; алюминий 1,8-2,1; тантал 1,0-1,5; ниобий 0,8-1,18; цирконий 0,08-1,18; бор 0,008-0,012 и никель остальное.

(«High Temperature Alloys Gas Turbines»; «Prog. Conf. Liege» 04-06 octob., 1982, pp. 369-393).

Однако данный известный сплав при высокой коррозионной стойкости имеет недостаточную жаропрочность и выпадение по границам зерен в процессе наработки при длительной эксплуатации пластинчатых фаз, снижающих пластичность.

Известен жаропрочный коррозионно-стойкий сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, тантал, алюминий, цирконий, гафний, церий, кремний, бор и никель при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,03; хром 20,0; кобальт 5,0; вольфрам 3,0; тантал 5,5; алюминий 4,5; цирконий 0,03; гафний 0,1; церий 0,02; кремний 0,1; бор 0,005 и никель остальное.

(RU2441088, С22С 19/05, п. 8 формулы, опубликовано 27.01.2012)

Однако данный сплав при высокой устойчивости к высокотемпературному окислению имеет пониженные значения жаропрочности и коррозионной стойкости.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является жаропрочный сплав на основе никеля для изготовления литьем элементов газовых турбин - сопловых лопаток с равноосной структурой.

Известный сплав содержит углерод, хром, кобальт, вольфрам, алюминий, титан, цирконий, тантал, ниобий, бор, церий, иттрий и никель при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,08-0,12; хром 18,5-19,5; кобальт 18,5-19,5; вольфрам 5,8-6,2; алюминий 1,8-2,2; титан 3,6-3,8; цирконий 0,05-0,12; тантал 1,3-1,5; ниобий 0,9-1,1; бор 0,004-0,012; суммарное содержание церия и иттрия до 0,02; никель - остальное.

(I. Okada и др., Deverlopment of Ni base Superalloy for Industrial Gas Turbine, сб. «Superalloys 2004" под ред. К.А/ Green, 2004, стр. 707-712)

Данный известный сплав имеет высокую жаропрочность и достаточно высокую коррозионную стойкость с рабочей температурой по металлу 880-900°С, устойчивость к высокотемпературному окислению, но не обладает достаточной структурной стабильностью на ресурс в процессе наработки.

Таким образом, известные сплавы при рабочих температурах 800-920°С и воздействии агрессивной среды не обладают оптимальным сочетанием служебных характеристик.

Задачей и техническим результатом изобретения является повышение коррозионной стойкости и структурной стабильности на ресурс лопаток и деталей горячего тракта с равноосной структурой, выполненных из сплава по изобретению, при повышенных минимально гарантированных и средних значениях прочности и пластичности при рабочих температурах 880-915°С.

Технический результат достигается тем, что жаропрочный сплав на основе никеля для литья деталей горячего тракта газотурбинных установок, имеющих равноосную структуру, содержит углерод, хром, кобальт, вольфрам, алюминий, титан, тантал, ниобий, бор, церий, иттрий, молибден, гафний, марганец и никель при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод 0,07-0,12
хром 18,3-19,5
кобальт 3,7-4,5
вольфрам 4,6-5,2
алюминий 3,2-3,5
титан 3,9-4,2
тантал 0,9-1,2
ниобий 0,1-0,25
бор 0,008-0,012
церий 0,01-0,012
иттрий 0,01-0,012
молибден 0,15-0,3
гафний 0,05-0,20
марганец 0,01-0,012
никель остальное,

при этом суммарное содержание гафния и ниобия составляет 0,2-0,3 мас.%, суммарное содержание алюминия и титана - 7,2-7,7 мас.% при отношении содержания титана к содержанию алюминия 1,2-1,31.

Технический результат также достигается тем, что жаропрочный сплав дополнительно содержит железо, медь, кремний, серу, азот и кислород при следующих соотношениях компонентов, мас.%: железо ≤0,1; медь ≤0,05; кремний ≤0,20; серу ≤0,005; фосфор ≤0,005; азот ≤20,0 ppm, кислород ≤15,0 ppm.

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

Количество упрочняющей γ′-фазы (Ni3Al) в сплаве по изобретению составляет ≈43 ат. %, что обеспечивает высокий и стабильный уровень служебных характеристик, например жаропрочность 154 МПа за 103 часов при температуре 900°С.

Оптимальное содержание вольфрама 4,6-5,2 мас.% и тантала 0,9-1,2 мас.% в совокупности с дополнительным введением молибдена в количестве 0,15-0,3 мас.% и суммарным содержанием титана и алюминия, равном 7,2-7,7 мас.%, дают повышенную жаропрочность литого сплава с равноосной структурой. Однако дальнейшее увеличение содержания вольфрама и тантала в сплаве вызывает значительный рост температуры растворения γ′-фазы, что снижает технологичность сплава (требует при термообработке литого изделия нагрев до температуры 1250°С с использованием керамических нагревателей), что препятствует использованию стандартного оборудования термообработки.

Дополнительное введение гафния в количестве 0,05-0,20 мас.% в сочетании с оптимальным содержанием ниобия 0,10-0,25 мас.%, включая их суммарное содержание в диапазоне 0,2-0,3 мас.%, обеспечивает достаточную пластичность литого сплава на длительный ресурс и стабилизацию карбидов.

Дополнительное введение марганца 0,01-0,012 мас.% при оптимальном отношении содержания титана к содержанию алюминия 1,2-1,31, обеспечивают повышение сопротивления коррозии литых изделий с равноосной структурой, оцененной как по коррозионным потерям металла, так и по скорости коррозии. В сплаве по изобретению значительно ограничено выделение неравновесной эвтектической фазы и исключено появление в процессе наработки охрупчивающих фаз.

В совокупности перечисленные факторы приводят к повышению длительной прочности литого металла, повышению структурной стабильности на ресурс при повышенных рабочих температурах 880-915°С в сочетании с повышением сопротивлению окислению и коррозионным воздействиям.

Сплав по изобретению менее чувствителен к содержанию железа, меди, кремния, серы, азота и кислорода по сравнению с известными жаропрочными сплавами на основе никеля. Тем не менее, для формирования границ зерен в отливках при кристаллизации с минимальным количеством легкоплавких эвтектик и получения качественной равноосной структуры оптимальным является ограничение содержания указанных компонентов в следующих пределах, мас.%: железо ≤0,1; медь ≤0,05; кремний ≤0,20; сера ≤0,005; фосфор ≤0,005; азот ≤20,0 ppm, кислород ≤15,0 ppm.

Изобретение может быть проиллюстрировано примерами, представленными в таблицах 1-2.

Характеристики длительной прочности, критические точки сплава и другие его физико-механические свойства, включая структурную 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, были определены по известным методам оценки.

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

В сплаве по изобретению суммарное содержание гафния и ниобия - 0,28 мас.%, суммарное содержание алюминия и титана - 7,4 мас.% при отношении содержания титана к содержанию алюминия 1,24.

В известном сплаве содержание ниобия - 1,0 мас.%, суммарное содержание алюминия и титана - 5,6 мас.% при отношении содержания титана к содержанию алюминия 1,95.

В таблице 1 приведены химические составы сравниваемых сплавов для изготовления сопловых лопаток, полученных известными способами и устройствами для литья турбинных лопаток из жаропрочных сплавов с равноосной структурой.

Из представленных данных следует, что по сравнению с известным сплавом сплав по изобретению имеет преимущество по коррозионной стойкости и структурной стабильности на ресурс. При этом лопатки из сплава по изобретению имеют повышенные минимально гарантированные и средние значения прочности и пластичности при рабочих температурах 880-915°С. При этом стоимость шихты сплава по изобретению значительно ниже стоимости шихты известного сплава.

1. Жаропрочный сплав на основе никеля для литья деталей горячего тракта газотурбинных установок, имеющих равноосную структуру, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, алюминий, титан, тантал, ниобий, бор, церий, иттрий и никель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит молибден, гафний и марганец, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод 0,07-0,12
хром 18,3-19,5
кобальт 3,7-4,5
вольфрам 4,6-5,2
алюминий 3,2-3,5
титан 3,9-4,2
тантал 0,9-1,2
ниобий 0,1-0,25
бор 0,008-0,012
церий 0,01-0,012
иттрий 0,01-0,012
молибден 0,15-0,3
гафний 0,05-0,20
марганец 0,01-0,012
никель остальное,

при этом суммарное содержание гафния и ниобия составляет 0,2-0,3 мас.%, суммарное содержание алюминия и титана - 7,2-7,7 мас.% при отношении содержания титана к содержанию алюминия 1,2-1,31.

2. Жаропрочный сплав по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит железо, медь, кремний, серу, фосфор, азот и кислород при следующих соотношениях компонентов, мас.%: железо ≤ 0,1, медь ≤ 0,05, кремний ≤ 0,20, серу ≤ 0,005, фосфор ≤ 0,005, азот ≤ 20,0 ppm, кислород ≤ 15,0 ppm.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным сплавам, и может быть использовано при изготовлении труб, листа, поковок и др. металлопроката для теплообменного и др.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к жаропрочным сплавам, и может быть использовано для изготовления реакционных труб установок производства водорода, метанола, аммиака и др.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к низкоуглеродистым хромоникелевым сплавам, и может быть использовано в химической и нефтеперерабатывающей промышленности в процессах, содержащих хлориды, при работе в горячих неочищенных минеральных и органических кислотах, растворах, а также в морской воде, а также для сосудов и аппаратов, работающих при высоком давлении в диапазоне температур от минус 196°С до плюс 450°С.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к низкоуглеродистым хромоникелевым сплавам аустенитного класса, и может быть использовано для изготовления коллекторов и реакционных труб нефтегазоперерабатывающих установок с рабочими режимами при температуре 700÷980°С и давлении до 50 атм.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным сплавам, используемым при изготовлении труб, листов, поковок и др. металлопроката для теплообменного оборудования, работающего в коррозионных средах, а также для сосудов и аппаратов, работающих при высоком давлении в диапазоне температур от минус 196°С до плюс 450°С.

Изобретение относится к металлургии, в частности к литейным жаропрочным коррозионно-стойким сплавам на основе никеля, и может быть использовано для изготовления литьем сопловых лопаток газотурбинных установок, работающих в агрессивных средах при температурах 700-900°С.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к защитным покрытиям конструкционных деталей. Сплав на основе никеля для защитного покрытия конструкционной детали, в частности детали газовой турбины, предназначенного для защиты от коррозии и/или окисления детали при высоких температурах, содержит следующие элементы, вес.%: от 22 до менее 24 кобальта, 15-16 хрома, 10,5-12 алюминия, 0,2-0,6, по меньшей мере одного элемента из группы, включающей скандий (Sc) и/или редкоземельные элементы, кроме иттрия, при необходимости, от 0,3 до 1,5 тантала (Та), никель (Ni) - остальное.

Изобретение относится к области металлургии жаропрочных деформируемых сплавов на основе никеля и изделий, выполненных из этих сплавов, и может быть использовано для изготовления дисков турбин газотурбинных двигателей и других узлов и деталей ротора, работающих при температурах до 900°C.

Изобретение относится к области изготовления ротора турбины газотурбинного двигателя, состоящего из двух и более деталей, изготовленных преимущественно из никелевого жаропрочного сплава с применением электронно-лучевой сварки.

Изобретение относится к металлургии, в частности к жаропрочным сплавам для деталей горячего тракта газотурбинных установок, работающих в агрессивных средах при температурах 750-900°С.

Изобретение относится к металлургии, в частности к литейным коррозионно-стойким жаропрочным сплавам на основе никеля, и может быть использовано для изготовления литьем деталей горячего тракта газотурбинных установок, работающих в агрессивных средах природного газа при температурах 600-900°C. Жаропрочный сплав на основе никеля для изготовления лопаток газотурбинных установок содержит, мас.%: углерод 0,06-0,12; хром 15,6-16,1; кобальт 10,0-10,4; вольфрам 5,3-5,7; молибден 1,5-1,8; титан 4,3-4,6; алюминий 2,8-3,1; бор 0,01-0,02; цирконий 0,016-0,05; кремний 0,001-0,2; железо ≤0,1; медь ≤0,05; сера ≤0,005; азот ≤20 ppm; кислород ≤15 ppm, ниобий 0,1-0,3; иттрий ≤0,03; марганец 0,001-0,2; фосфор ≤0,005 и никель - остальное. Способ термической обработки лопаток включает отжиг с нагревом в инертной атмосфере, выдержкой и охлаждением и старение. Сплав характеризуется повышенными характеристиками прочности, пластичности и коррозионной стойкости жаропрочного сплава лопаток с направленной, монокристаллической и равноосной структурами в сочетании с повышенной пластичностью и структурной стабильностью на ресурс, расширение области применения сплава. 4 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным сплавам, и может быть использовано для изготовления коллекторов и реакционных труб нефтегазоперерабатывающих установок с рабочими режимами при температуре от плюс 1000°С до плюс 1200°С и давлении до 46 атмосфер. Жаропрочный сплав содержит, мас. %: углерода 0,45÷0,55; хрома 25,0÷28,0; никеля 34,0÷37,0; вольфрама 4,50÷5,50; кобальта 14,0÷16,0; кремния 1,1995÷1,59; марганца 0,0005÷1,25; ванадия 0,0005÷0,20; титана 0,0005÷0,10; алюминия 0,0005÷0,10; иттрия >0÷0,001; кислорода >0,0005÷0,028; водорода >0,0005÷0,0025; азота >0,0005÷0,095; серы ≤0,02; фосфора ≤0,025; свинца ≤0,009; олова ≤0,009; мышьяка ≤0,009; цинка ≤0,009; сурьмы ≤0,009; молибдена ≤0,5; меди ≤0,2; железа - остальное. Выполняются следующие условия, мас. %: (CrЭ/NiЭ)≥0,506, где: CrЭ - эквивалент хрома; NiЭ - эквивалент никеля; CrЭ=Cr+2×Al+3×Ti+V+Mo+1,6×Si+W; NiЭ=Ni+32C+0,6×Mn+Co+22×N+Cu. Для содержаний серы и фосфора выполняется условие (S+Р)≤0,025. Обеспечивается увеличение структурной стабильности сплава в процессе старения, а также снижение склонности сплава к образованию горячих трещин при сварке. 1 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к оправке прошивного стана. Прошивная оправка содержит корпус оправки, Ni-Cr-слой, сформированный на поверхности корпуса оправки, и напыленное покрытие, сформированное на поверхности Ni-Cr-слоя. Корпус оправки выполнен из сплава, содержащего, мас.%: от 20 до 30 Cr, от 30 до 55 Ni, от 0,005 до 0,5 С, от 0,1 до 1,0 Si, от 0,2 до 1,5 Mn и по меньшей мере один из Mo и W при выполнении соотношения 1,5 ≤ Mo + 0,5W ≤ 8,5, Fe и примеси - остальное. Оправка характеризуется длительным сроком службы за счет высоких характеристик сопротивления деформации материала корпуса оправки и адгезии напыленного покрытия. 7 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 табл.

Изобретение относится к металлургии, в частности к литейным коррозионностойким жаропрочным сплавам на основе никеля, и может быть использовано для изготовления литьем изделий с равноосной структурой, работающих в агрессивных средах при температурах 600-800°C, например интегральных колес и лопаток турбокомпрессоров турбонаддува дизелей, а также рабочих лопаток горячего тракта. Жаропрочный сплав на основе никеля для литья интегральных колес и рабочих лопаток турбокомпрессоров турбонаддува дизелей с равноосной структурой содержит, мас.%: углерод 0,06-0,12; хром 14,7-15,2; кобальт 7,8-8,2; молибден 4,2-4,5; алюминий 3,2-3,5; титан 4,2-4,5; бор 0,008-0,012; кремний ≤0,30; церий 0,005-0,015; марганец ≤0,15; вольфрам 0,4-0,6; ниобий 0,15-0,3; гафний 0,10-0,20; железо ≤0,5; медь ≤0,05; сера ≤0,005; фосфор ≤0,005; азот ≤20 ppm; кислород ≤15 ppm; никель остальное. Суммарное содержание ниобия и гафния составляет ≤0,4 мас. %, а суммарное содержание алюминия и титана - 7,4-8,0 мас. % при отношении содержания титана к содержанию алюминия ≥1,27. Повышается длительная прочность в сочетании с высоким сопротивлением окислению и коррозионным воздействиям, а также обеспечивается возможность сварки трением. 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным жаропрочным сплавам на основе интерметаллида Ni3Al, предназначенным для изготовления методом направленной кристаллизации и монокристаллического литья деталей горячего тракта газотурбинных двигателей авиационной промышленности. Сплав на основе интерметаллида Ni3Al содержит, мас. %: алюминий 8,2-8,7; хром 2,5-6,0; молибден 2,8-4,2; вольфрам 2,8-4,5; титан 0,01-1,2; тантал 0,5-5,5; рений 0,01-1,4; кобальт 0,01-5,5; углерод 0,015-0,08; лантан 0,015-0,4; гафний 0,01-0,6; цирконий 0,01-0,08; иттрий 0,015-0,15; эрбий, неодим и празеодим при их суммарном содержании 0,1-0,3; никель - остальное. Повышается надежность изделий, увеличивается ресурс их работы за счет повышения жаропрочности, кратковременной прочности ( σ в 20 ) и предела текучести ( σ 0,2 20 ) при комнатной температуре для КГО [001] сплава. 2 н.п. ф-лы, 2 табл., 8 пр.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным никелевым сплавам для получения изделий, производимых методом металлургии гранул и предназначенных для работы при высоких нагрузках и температурах, например в газотурбинных двигателях. Сплав содержит, мас. %: углерод - 0,03-0,08, хром - 9,0-11,0, кобальт - 14,0-16,0, вольфрам - 5,5-6,5, молибден - 3,2-3,8, титан - 3,8-4,2, алюминий - 3,4-4,2, ниобий - 1,5-2,2, гафний - 0,2-0,4, бор - 0,005-0,055, цирконий - 0,001-0,055, магний - 0,01-0,06, церий - 0,001-0,055, никель - остальное. Сплав имеет размер зерна 35-40 мкм, а также характеризуется высокими характеристиками длительной и кратковременной прочности во всем диапазоне рабочих температур, пластичности при горячей и холодной обработке. Повышается надежность срока службы изделий из заявленного сплава. 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам для защитных покрытий для защиты конструктивного элемента от коррозии и/или окисления. Сплав на основе никеля для защиты конструктивного элемента газовой турбины от коррозии и/или окисления при высоких температурах содержит, в вес.%: от более 22 до менее 24 кобальта (Со), от 14 до менее 16 хрома (Cr), 10,5-11,5 алюминия (Al), 0,2-0,4, по меньшей мере одного элемента из группы, включающей в себя скандий (Sc) и редкоземельные элементы, в частности иттрий (Y), при необходимости от 0,3 до 0,9 тантала (Та), никель (Ni) - остальное. Конструктивный элемент (120, 130, 155) газовой турбины (100) содержит субстрат (4), выполненный из сплава на основе никеля или на основе кобальта, и защитное покрытие (7) упомянутого состава. При необходимости, на защитное покрытие (7) может быть нанесено керамическое термобарьерное покрытие (10). Сплав и защитный слой обладают высокотемпературной устойчивостью к коррозии и окислению. 3 н. и 9 з.п.ф-лы, 5 ил.
Наверх