Жаропрочный сплав на основе никеля для литья с равноосной структурой интегральных колес и рабочих лопаток



Жаропрочный сплав на основе никеля для литья с равноосной структурой интегральных колес и рабочих лопаток
Жаропрочный сплав на основе никеля для литья с равноосной структурой интегральных колес и рабочих лопаток

 


Владельцы патента RU 2585148:

Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения" АО "НПО "ЦНИИТМАШ" (RU)

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 металлургии, в частности к литейным коррозионностойким жаропрочным сплавам (КЖС) на основе никеля, и может быть использовано для изготовления литьем изделий с равноосной структурой, работающих в агрессивных средах при температурах 600-800°С, например интегральных колес и лопаток турбокомпрессоров (ТКР) турбонаддува дизелей, а также рабочих лопаток горячего тракта.

Рассматриваемая группа КЖС имеет специфику, связанную с тем, что отлитые из них интегральные колеса и лопатки будут вращаться с очень высокими скоростями, поэтому плотность сплавов должна быть минимальной (~8,0 Т/м3) при обеспечении повышенных прочностных характеристик.

Так как колеса ТКР необходимо соединять с валом сваркой трением, то, как показала практика, в сплаве должно быть молибдена ≥4,0 мас. %. При том, что колеса ТКР работают при повышенных температурах (600-700°C) в условиях агрессивного дизельного топлива (содержащего серу, ванадий и др.), а тот же молибден резко снижает сопротивление сплавов коррозионным воздействиям, но определяет повышенные характеристики жаропрочности.

Известен жаропрочный сплав IN713LC на основе никеля для литья интегральных колес и лопаток с равноосной структурой ТКР дизелей, содержащий углерод, хром, молибден, бор, алюминий, титан, цирконий, ниобий, марганец, кремний, железо, медь и серу при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 0,05-0,12, хром 12,0-14,0, молибден 3,8-5,2, бор 0,005-015, алюминий 5,5-6,5, титан 0,5-1,0, цирконий 0,05-0,15, ниобий 1,8-2,2, марганец ≤0,25, кремний ≤0,5, железо ≤2,5, медь ≤0,5, сера ≤0,015, никель остальное.

(сб. Superalloys, A Technical Guide, стр. 36, 1988)

Литые рабочие лопатки (РЛ) и интегральные колеса ТКР с равноосной структурой, изготовленные из известного сплава, имеют достаточно высокие значения жаропрочности в области рабочих температур 600-750°C и пониженную плотность (~8,0 Т/м3), но очень низкую коррозионную стойкость и, как следствие, невысокие значения термической усталости изделий из этого сплава. Более того, сплав имеет пониженную структурную стабильность (в нем выделяется ~4-5% охрупчивающей σ-фазы) и склонен к деформационному разупрочнению в процессе наработки. Оба этих фактора снижают пластичность сплава и, как следствие, приводят к понижению характеристик выносливости и преждевременному разрушению изделий.

Наиболее близким по технической сущности является жаропрочный сплав на основе никеля Rene 77 для литья с равноосной структурой интегральных колес ТКР и рабочих лопаток. Известный сплав содержит углерод, хром, кобальт, молибден, алюминий, титан, бор, кремний, церий, иттрий, марганец и никель, при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 0,05-0,09, хром 14,0-15,5, кобальт 14,25-15,75, молибден 3,0-4,5, алюминий 4,0-4,6, титан 3,0-3,7, бор 0,01, кремний 0,10, церий 0,015, иттрий 0,02, марганец 0,10, никель остальное.

(сб. Superalloys, A Technical Guide, стр. 36, 1988)

Однако данный известный сплав при достаточно высоких показателях жаропрочности и пониженной плотности имеет умеренною коррозионную стойкость. Сплав имеет пониженную структурную стабильность на ресурс (в нем выделяется 3-4% охрупчивающей σ-фазы) и склонен к деформационному старению с значительным снижением пластичности, ограничивающему его применение для литья интегральных колес и рабочих лопаток с равноосной структурой, работающих при температурах 600-800°C.

Целью изобретения и его техническим результатом является сплав на основе никеля для литья с равноосной структурой интегральных колес и рабочих лопаток, обеспечивающий повышение длительной прочности в сочетании с высоким сопротивлением окислению и коррозионным воздействиям, повышение структурной стабильности на ресурс, обеспечение возможности сварки трением.

Технический результат достигается тем, что жаропрочный сплав на основе никеля для литья с равноосной структурой интегральных колес и рабочих лопаток содержит углерод, хром, кобальт, молибден, алюминий, титан, бор, кремний, церий, марганец, вольфрам, ниобий, гафний, железо, медь, серу, фосфор, азот, кислород и никель при следующем соотношении компонентов, 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,

причем суммарное содержание ниобия и гафния составляет ≤0,4 мас. %, а суммарное содержание алюминий и титана - 7,4-8,0 мас. % при отношении содержания титана к содержанию алюминия ≥1,27.

Ограничение содержания в сплаве железа, меди, серы, фосфора, азота и кислорода приводит к повышению пластичности сплава, притом что количество упрочняющей γ'-фазы (Ni3Al) в сплаве по изобретению составляет 44-47 ат. %, обеспечивает высокий и стабильный уровень служебных характеристик, например жаропрочность около 450 МПа за 103 часов при 760°C.

Оптимальное содержание молибдена, вольфрама и ограничение суммарного содержания алюминий и титана в диапазоне 7,4-8,0 мас. % при отношении содержания титана к содержанию алюминия ≥1,27 дает повышенную жаропрочность литого сплава, обеспечивает возможность сварки трением интегрального колеса и вала. Дальнейшее увеличение суммарного содержания алюминия, титана и вольфрама вызывает значительный рост температуры растворения γ'-фазы (Сольвус Тγ') и снижение технологических показателей литого изделия. Кроме того, высокая величина отношения содержания титана к содержанию алюминия ≥1,27 в сочетании с высоким содержанием хрома, присутствием редкоземельного металла церия, а также кремния и марганца способствует повышению коррозионной стойкости предлагаемого сплава.

Гафний и ниобий при их суммарном содержании ≤0,4 мас. % обеспечивают оптимальную морфологию карбидов и достаточную высокую пластичность литого сплава на длительный ресурс.

При этом заявленные концентрации и соотношения компонентов в сплаве исключают в процессе наработки появление охрупчивающих фаз и ограничивают выделение неравновесной эвтектической γ'-фазы, что обеспечивает заметное снижение объема газо-усадочной пористости и повышает устойчивость изделия к образованию трещин при литье и в процессе наработки.

Для получения интегральных колес ТКР и литых рабочих лопаток из сплава по изобретению используют известные способы и устройства для литья турбинных лопаток из жаропрочных сплавов с равноосной структурой.

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

Служебные характеристики сравниваемых сплавов были оценены с использованием известной методики ФАКОМП и других известных методик расчета свойств жаропрочного сплава на основе никеля по его химическому составу. Известные методики позволяют с высокой степенью достоверности оценить структурную стабильность сплава на ресурс (образование охрупчивающих фаз), склонность к выделению в литом состоянии неравновесных эвтектических фаз, на месте которых при термообработке в литых изделиях образуются поры и трещины, характеристики длительной прочности, критические точки сплава и другие его физико-механические свойства.

(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)

Из представленных данных видно, что сплав по изобретению на ≈5% превосходит прототип по жаропрочности при рабочих температурах 600-700°C и в 1,2 раза превосходит известный сплав по коррозионной стойкости.

Предлагаемый сплав в процессе наработки не склонен к деформационному старению, снижению пластичности и в нем не прогнозируется выпадение охрупчивающих фаз.

Достигаемое повышенное сопротивление агрессивным воздействиям среды предлагаемого сплава (по сравнению с известным аналогом) позволяют увеличить эксплуатационную надежность и срок службы изделий и, как следствие, приводит к снижению годовой потребности в металле.

Жаропрочный сплав на основе никеля для литья интегральных колес и рабочих лопаток турбокомпрессора турбонаддува дизелей с равноосной структурой, содержащий углерод, хром, кобальт, молибден, алюминий, титан, бор, кремний, церий, марганец и никель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит вольфрам, ниобий, гафний, железо, медь, серу, фосфор, азот и кислород при следующем соотношении компонентов, 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,

причем 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.



 

Похожие патенты:

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.

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.

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.

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.

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 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