Гранулируемый высокожаропрочный никелевый сплав и изделие, изготовленное из него

Изобретение относится к области металлургии, в частности к порошковой металлургии жаропрочных никелевых сплавов, и может быть использовано для изготовления высоконагруженных роторных деталей, работающих при температурах до 650-700°С в газотурбинных двигателях. Жаропрочный никелевый сплав содержит, мас. %: углерод 0,08-0,15; хром 10,5-12,5; кобальт 14,0-16,0; вольфрам 4,0-6,0; молибден 2,6-3,6; титан 2,5-3,5; алюминий 3,6-4,6; ниобий 3,0-4,0; тантал 0,1-1,3; гафний 0,05-0,2; ванадий 0,1-0,5; бор 0,005-0,05; цирконий 0,001-0,05; церий 0,001-0,05; скандий 0,01-0,1; магний 0,001-0,05; остальное - никель и неизбежные примеси. Сплав имеет высокую прочность и жаропрочность, обладает высоким сопротивлением малоцикловой усталости. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии, в частности к порошковой (гранульной) металлургии жаропрочных сплавов на основе никеля, и может быть использовано для изготовления высоконагруженных роторных деталей, работающих при температурах до 650-700°С в газотурбинных двигателях. Жаропрочные сплавы на основе никеля для основных осесимметричных деталей газотурбинных двигателей должны обеспечивать высокие показатели кратковременной и длительной прочности, а также малоцикловой усталости при рабочих температурах. Материал должен быть технологичным в производстве для изготовления крупногабаритных заготовок перспективных авиационных двигателей или газотурбинных установок. Металлопорошковая композиция (гранулы) сплава может быть изготовлена различными методами, в частности газовой атомизацией или центробежным распылением вращающейся заготовки.

С применением методов порошковой металлургии, например газовой атомизации, обеспечивается снижение трудоемкости при изготовлении крупногабаритных заготовок основных деталей ГТД из высокожаропрочных сложнолегированных сплавов.

Известен высокотемпературный порошковый жаропрочный сплав на основе никеля для деталей газотурбинных двигателей следующего химического состава, мас. % (US №6969431 В2, опубл. 29.11.2005 г.):

Углерод 0,01-0,05
Хром 9,5-11,5
Кобальт 16,0-20,0
Вольфрам 4,3-6,0
Молибден 1,8-3,0
Титан 3,0-4,4
Алюминий 3,0-4,2
Ниобий 0,5-1,5
Тантал 1,0-2,0
Бор 0,01-0,04
Цирконий 0,04-0,15
Никель остальное

Данный сплав обладает высокой рабочей температурой до 760°С, однако обеспечивает недостаточно высокий предел текучести σ0,220=1160 МПа и длительную прочность при 650°С σ100650=950 МПа.

Известен жаропрочный порошковый сплав на основе никеля следующего состава, мас. % (RU №2294393, опубл. 27.02.2007 г.):

Углерод 0,02-0,10
Хром 9,0-11,0
Кобальт 14,0-16,0
Вольфрам 5,2-6,8
Молибден 3,0-3,9
Титан 3,0-3,9
Алюминий 3,2-4,5
Ниобий 1,2-2,4
Гафний 0,05-0,5
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 0,001-1,0
Никель остальное

Недостатком этого сплава являются низкие характеристики прочности (σв20=1501 МПа), что приводит к увеличению удельного веса изделий, а также низкое сопротивление малоцикловой усталости (σ0650гл=1120 МПа на базе 104 цикл), что снижает ресурс работы деталей газотурбинного двигателя.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по составу и назначению аналогом (прототипом) является порошковый жаропрочный никелевый сплав, который содержит компоненты в следующем соотношении, мас. % (RU №2368683, опубл. 27.09.2009 г.):

Углерод 0,03-0,08
Хром 10,0-12,0
Кобальт 14,0-16,0
Вольфрам 2,5-3,5
Молибден 4,0-5,0
Титан 2,5-3,1
Алюминий 3,5-4,4
Ниобий 3,0-3,5
Гафний 0,005-0,2
Ванадий 0,4-0,8
Бор 0,005-0,05
Церий 0,001-0,05
Лантан 0,001-0,08
Скандий 0,001-0,05
Магний 0,001-0,05
Железо 0,01-1,0
Марганец 0,001-0,5
Кремний 0,001-0,5
Никель остальное

Из уровня техники известно, что данный сплав обладает высокими прочностными свойствами (σв20≥1545 МПа), однако имеет недостаточную длительную прочность, и сопротивление малоцикловой усталости при 650°С (σ0650гл=1099 МПа на базе 104 цикл). В составе сплава допускается максимальное суммарное содержание примесей железа, марганца и кремния до 2%, что не позволяет обеспечить высокую малоцикловую усталость по причине образования охрупчивающих оксикарбидных фаз.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка жаропрочного никелевого сплава для изготовления высоконагруженных деталей перспективных газотурбинных двигателей из металлопорошковых композиций (гранул). Материал должен обеспечивать высокие прочностные свойства, длительную прочность и малоцикловую усталость при повышенных температурах.

Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении характеристик длительной прочности и сопротивления малоцикловой усталости при 650°С при сохранении высокой прочности жаропрочного никелевого сплава, что в комплексе позволяет одновременно увеличить ресурс работы двигателя и снизить его удельный вес.

Предлагаемый порошковый жаропрочный сплав на никелевой основе содержит углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, алюминий, ниобий, гафний, ванадий, бор, церий, скандий, магний, тантал и цирконий при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Углерод 0,08-0,15
Хром 10,5-12,5
Кобальт 14,0-16,0
Вольфрам 4,0-6,0
Молибден 2,6-3,6
Титан 2,5-3,5
Алюминий 3,6-4,6
Ниобий 2,5-4,0
Тантал 0,1-1,3
Гафний 0,05-0,2
Ванадий 0,1-0,5
Бор 0,005-0,05
Цирконий 0,001-0,05
Церий 0,001-0,05
Скандий 0,01-0,1
Магний 0,001-0,05
Никель остальное

Сплав дополнительно может содержать до 0,8% рения.

Суммарное содержание кобальта и хрома должно находиться в пределах от 25 до 27 мас. %.

Соотношение содержания суммы молибдена и вольфрама с суммой титана, алюминия и ниобия может составлять () от 0,75 до 0,80 в мас. %.

Предложено также изделие, изготовленное методами порошковой (гранульной) металлургии из металлопорошковой композиции (гранул) заявленного сплава. В качестве метода производства гранул может быть применен метод газовой атомизации.

Увеличенное содержание углерода, повышенное содержание карбидообразующих элементов (вольфрама, титана и ниобия) и добавление еще одного карбидообразующего элемента, тантала, в заявленных количествах приводят к повышению длительной прочности за счет образования упрочняющих термодинамически стабильных карбидных фаз типа МеС.

Влияние тантала на механические свойства также проявляется в том, что основная его часть входит в состав упрочняющей интерметаллидной фазы γ' на основе соединения Ni3Al, увеличивая ее содержание в сплаве, что позволяет повысить длительную прочность. Остаток тантала распределяется в твердом растворе никеля, повышая его стабильность и, соответственно, увеличивает прочностные характеристики материала.

Комплексное микролегирование редкими и редкоземельными элементами в указанных количествах (бор, цирконий, церий, скандий, магний) применено для удаления вредных примесей (кислорода, азота, серы и др.), дополнительного упрочнения границ зерен и снижения энергии дефекта упаковки твердого раствора, что позволяет сохранить мелкозернистую структуру материала и, тем самым, повысить сопротивление малоцикловой усталости при рабочих температурах.

В предлагаемом сплаве вместо микролегирования лантаном применен цирконий, так как последний в процессе выплавки ведет себя стабильнее и лучше усваивается, даже при условии применения лигатуры никель-лантан. Пониженное содержание молибдена в предлагаемом сплаве по сравнению со сплавом-прототипом позволяет увеличить содержание вольфрама, имеющего более высокую температуру плавления и энергию межатомной связи. Замена части молибдена на вольфрам позволила дополнительно повысить длительную прочность материала.

Предлагаемый сплав в процессе производства гранул обеспечивает идеально сферическую форму частиц без внутренних пор. В результате компактирования в заготовках формируется однородная мелкозернистая рекристаллизованная структура с равномерным распределением карбидов, а также без проявления наследственных границ гранул. В результате повышается длительная прочность и сопротивление малоцикловой усталости при 650°С при сохранении высокой прочности жаропрочного никелевого сплава, что в комплексе увеличивает ресурс работы двигателя и снижает его удельный вес.

Пример осуществления

С целью практического осуществления в лабораторных условиях в вакуумной индукционной печи были выплавлены заготовки под распыление предлагаемого сплава (примеры 1-3) и сплава-прототипа (пример 4), состав которых представлен в таблице 1.

Из полученных заготовок под распыление после удаления остатков литейной чаши и разрезки были произведены соответствующие металлопорошковые композиции (гранулы) крупностью менее 100 мкм методом газовой атомизации. Заготовки расплавляли в плавильной камере установки распыления в керамическом тигле посредством наведения электромагнитной индукции. После расплавления и перегрева расплава на необходимую температуру жидкий металл подавали по ведущей трубке в камеру распыления, где посредством газовой форсунки производили разбиение потока жидкого металла струей инертного газа под давлением.

После аэродинамической сепарации и рассева полученными гранулами крупностью менее 100 мкм заполняли стальные капсулы диаметром 100-250 мм и высотой до 100 мм.

Затем проводили горячее изостатическое прессование герметизированных капсул с гранулами, закалку и старение. Из заготовок вырезали образцы для проведения механических испытаний. Результаты испытаний приведены в таблице 2.

Из таблицы видно, что предлагаемый сплав превосходит прототип по длительной прочности; сопротивление МЦУ выше на 7%. При этом прочностные и пластические характеристики рассматриваемых сплавов близки.

Таким образом, применение сплава предлагаемого состава в качестве материала высоконагруженных деталей горячего тракта ГТД, таких как турбинные диски, дефлекторы, проставки и валы, позволит повысить ресурс работы и увеличить надежность эксплуатации.

1. Порошковый жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, алюминий, ниобий, гафний, ванадий, бор, церий, скандий, магний, отличающийся тем, что дополнительно содержит тантал и цирконий при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Углерод 0,08-0,15
Хром 10,5-12,5
Кобальт 14,0-16,0
Вольфрам 4,0-6,0
Молибден 2,6-3,6
Титан 2,5-3,5
Алюминий 3,6-4,6
Ниобий 2,5-4,0
Тантал 0,1-1,3
Гафний 0,05-0,2
Ванадий 0,1-0,5
Бор 0,005-0,05
Цирконий 0,001-0,05
Церий 0,001-0,05
Скандий 0,01-0,1
Магний 0,001-0,05
Никель остальное

2. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит до 0,8% рения.

3. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что суммарное содержание кобальта и хрома находится в пределах от 25 до 27 мас. %.

4. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что суммарное содержание молибдена и вольфрама к суммарному содержанию титана, алюминия и ниобия составляет от 0,75 до 0,80 в мас. %.

5. Изделие из порошкового жаропрочного сплава на основе никеля, отличающееся тем, что оно изготовлено из порошкового жаропрочного сплава на основе никеля по любому из пп. 1-4.

6. Изделие по п. 5, отличающееся тем, что оно изготовлено из гранул, полученных методом газовой атомизации.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способу термообработки дисперсионно-твердеющих сплавов на основе никеля, и может быть использовано при производстве сотового заполнителя системы теплозащиты для гиперзвукового летательного аппарата или космического аппарата.

Изобретение относится к металлургии, в частности к использованию сплава для изготовления реакционных труб установок производства этилена, водорода, аммиака, сероуглерода, метанола и с рабочими режимами при температуре 600÷1200°С и давлением до 50 атм.

Жаропрочный сплав используется для изготовления реакционных труб змеевиков установок производства этилена и др. нефтегазоперерабатывающих установок, с рабочими режимами при температуре 650÷1000°C и давлением до 10 атмосфер.

Изобретение относится к области металлургии деформируемых сплавов системы Ni-Cr-Мо и может быть использовано для изготовления коррозионно-стойких труб, корпусов, испарителей и других сварных узлов и деталей, работающих в агрессивных окислительных средах, в частности хлоридных, как, например, расплава KCl-AlCl3, в области температур до 650°С.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам на основе никеля, которые могут быть использованы в качестве материала для изготовления элементов зажигания двигателей внутреннего сгорания.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству жаростойких порошковых сплавов на основе интерметаллида NiAl, и может быть использовано в авиационной, космической и энергетической отраслях для изготовления теплонагруженных деталей, работающих в условиях высоких температур и испытывающих относительно невысокие механические нагрузки.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным сплавам на основе интерметаллида Ni3Al, предназначенным для изготовления методом направленной кристаллизации и монокристаллического литья деталей газотурбинных двигателей авиационной промышленности, например сопловых и рабочих лопаток, блоков сопловых лопаток, сегментов камеры сгорания, створок.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к термомеханической обработке сплавов на основе никеля. Способ термомеханической обработки заготовки из сплава на основе никеля включает первый этап нагревания заготовки до температуры 1093-1163°С, первый этап ротационной ковки нагретой до 1093-1163°С заготовки с уменьшением площади поперечного сечения на 30-70%, второй этап нагревания заготовки до температуры 954-1052°С, причем между окончанием первого этапа ковки и началом второго этапа нагревания заготовку поддерживают при температуре ниже температуры растворения карбидов М23С6 и не позволяют ей охлаждаться до температуры окружающей среды, и второй этап ротационной ковки нагретой до 954-1052°С заготовки с уменьшением площади поперечного сечения на 20-70%.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к хромоникелевому сплаву, и может быть использовано при строительстве печей, а также в химической и нефтехимической отраслях промышленности.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным сплавам, предназначенным для деталей, работающих при температурах до 1000oC в газотурбинных двигателях.

Изобретение относится к области металлургии цветных металлов и может быть использовано для получения сплава алюминий-скандий в условиях промышленного производства.
Изобретение относится к получению упрочненного нанокомпозиционного материала, который может быть использован в авиастроении и в автомобильной промышленности. Готовят лигатуру в виде компактированных стержней из равномерно перемешанной смеси порошка магния и нанопорошка нитрида алюминия с диаметром частиц в диапазоне 30÷80 нм.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для изготовления деталей, работающих при высоких температурах. Для повышения сопротивления ползучести и увеличения длительной прочности при 900-1100°C за счет повышения сопротивления зернограничному проскальзыванию сплав на основе хрома содержит, мас.
Изобретение относится к способу получения пористого металлического тела из алюминиевого сплава, включающему постепенную плавку части пластины из алюминиевого сплава под воздействием источника тепла с использованием водорода в качестве порообразующего газа и постепенное отверждение металла.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к борсодержащим материалам на основе алюминия, получаемым в виде слитков и предназначено для получения листового проката, в том числе толщиной менее 0,3 мм, к которому предъявляются требования низкого удельного веса и повышенной прочности в сочетании с радиационнозащитными свойствами.

Изобретение относится к области порошковой металлургии, преимущественно к получению пористых изделий на основе пеноалюминия, и предназначено для изготовления деталей автомобилей, шумопоглащающих экранов, теплостойких демпфирующих материалов.

Изобретение относится к области металлургии сплавов и может быть использовано при производстве магниевых сплавов, не содержащих цирконий. Защитная газовая смесь для обработки магниевого сплава, не содержащего цирконий, включает, мас.%, углекислый газ 75-90, шестифтористую серу 0,5-1,0, воздух 8-23,5, соединение бора, выбранное из группы, содержащей трехфтористый бор и оксид бора, 0,5-1,02.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству жаропрочных сплавов на основе ниобия, которые могут быть использованы для изготовления рабочих лопаток ГТД.

Изобретение относится к изготовлению металлических проводников и касается способа получения трехслойной электропроводящей проволоки. Осуществляют расплавление алюминиевого сплава заявленного состава и литье сердечника из алюминиевого сплава.
Изобретение относится к получению композитного титан-ниобиевого порошка для аддитивных технологий. Способ включает механическую активацию смеси порошков титана и ниобия с добавлением противоагломерирующего компонента.

Группа изобретений относится к спеченному композитному материалу и получению из него инструментов, а именно формующих или измельчающих. Способ получения спеченного композитного материала включает спекание состава, содержащего по меньшей мере один твердый носитель, выбранный из группы, состоящей из карбидов, нитридов, боридов и карбонитридов, и связующий сплав, включающий от 66 до 93 мас.% никеля, от 7 до 34 мас.% железа, от 0 до 9 мас.% кобальта и до 30 мас.% одного или нескольких элементов, выбранных из группы, состоящей из W, Mo, Cr, V, Та, Nb, Ti, Zr, Hf, Re, Ru, Al, Mn, B, N и С. Причем массовые доли связующего сплава в сумме составляют 100 мас.%, а массовое соотношение железа к никелю в связующем сплаве составляет 1:3-1:10. Обеспечивается повышение твердости. 4 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил., 3 табл., 5 пр.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к порошковой металлургии жаропрочных никелевых сплавов, и может быть использовано для изготовления высоконагруженных роторных деталей, работающих при температурах до 650-700°С в газотурбинных двигателях. Жаропрочный никелевый сплав содержит, мас. : углерод 0,08-0,15; хром 10,5-12,5; кобальт 14,0-16,0; вольфрам 4,0-6,0; молибден 2,6-3,6; титан 2,5-3,5; алюминий 3,6-4,6; ниобий 3,0-4,0; тантал 0,1-1,3; гафний 0,05-0,2; ванадий 0,1-0,5; бор 0,005-0,05; цирконий 0,001-0,05; церий 0,001-0,05; скандий 0,01-0,1; магний 0,001-0,05; остальное - никель и неизбежные примеси. Сплав имеет высокую прочность и жаропрочность, обладает высоким сопротивлением малоцикловой усталости. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 табл.

Наверх