Жаропрочный литейный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него

Изобретение относится к металлургии, а именно к коррозионно-стойким жаропрочным сплавам для деталей горячего тракта газотурбинных двигателей и установок, работающих в агрессивных средах до 750-1000°С. Жаропрочный литейный сплав на основе никеля содержит, мас. %: углерод до 0,15; хром 13-17; алюминий 3-4; титан 3-5; кобальт 8-11; вольфрам 2-6; молибден 0,3-2; тантал 0,3-2,3; ниобий 0,1-2,0; бор до 0,02; гафний до 0,15; цирконий до 0,10; кальций до 0,05; магний до 0,05; лантан до 0,30; церий до 0,05; иттрий до 0,30; барий до 0,03; рений до 0,15; никель - остальное. Сплав характеризуется высокими значениями длительной прочности при температурах 870-980°С и стойкости к сульфидно-оксидной и хлоридной коррозии, а также он имеет структурную стабильность на ресурс. 2 н.п. ф-лы, 2 табл., 5 пр.

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к коррозионностойким жаропрочным сплавам для деталей горячего тракта газотурбинных двигателей и установок, длительно работающих в агрессивных средах при температурах до 750-1000°С.

Известен жаропрочный сплав на основе никеля следующего химического состава, масс. %:

хром	15-18
кобальт	8-11
молибден	0,75-2,2
вольфрам	1,8-3,0
ниобий	0,5-2,0
тантал	1-3
алюминий	3-4
углерод	0,1-0,2
титан	3-4
бор	0,01-0,05
цирконий	0,01-0,2
никель	остальное

(US 3459545 А, 05.08.1969).

Сплав имеет недостаточно высокие характеристики кратковременной и длительной прочности, а также низкую коррозионную стойкость.

Известен жаропрочный сплав на основе никеля следующего химического состава, масс. %:

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	0,15-0,30
гафний	0,05-0,20
марганец	0,01-0,012
никель	остальное.

(RU 2581337 С1, 20.04.2016).

Данный сплав отличается пониженной структурной стабильностью при длительной работе, связанной с выпадением охрупчивающей σ-фазы, которая существенно понижает жаропрочность сплава, а также повышенной пористостью в отливках.

Наиболее близким аналогом является жаропрочный сплав на основе никеля для литья рабочих лопаток газотурбинных установок, содержащий масс. %:

углерод	0,02-0,13
хром	15,6-16,2
кобальт	8,2-8,8
вольфрам	2,4-2,8
молибден	1,5-2,0
алюминий	3,3-3,7
титан	3,3-3,7
ниобий	0,6-1,1
бор	0,005-0,015
тантал	1,5-2,0
гафний	0,00-0,2
цирконий	0,03-0,08
кальций	0,00-0,02
марганец	≤0,02
медь	0,00-0,05
сера	≤0,005
фосфор	≤0,005
азот	10-20 ppm
кислород	10-20 ppm
по меньше мере, два элемента,
выбранных из группы:
кремний	≤0,25
магний	0,00-0,02
железо	≤0,2
никель	остальное.

(RU 2570130 С1, 10.12.2015).

Сплав, взятый за прототип, имеет невысокие характеристики длительной прочности и пониженную коррозионную стойкость при рабочих температурах 750-1000°С.

Таким образом, известные сплавы при рабочих температурах 750-1000°С не обладают оптимальным сочетанием служебных свойств (жаропрочность, пластичность, сопротивление высокотемпературной коррозии, структурная стабильность в процессе эксплуатации) в сочетании с высокими технологическими характеристиками.

Задачей предложенного изобретения является разработка жаропрочного литейного сплава на основе никеля с улучшенным сочетанием служебных свойств и высокими технологическими характеристиками.

Техническим результатом предложенного изобретения является повышение длительной прочности при температурах 870-980°С с одновременным повышением стойкости к сульфидно-оксидной и хлоридной коррозии, а также повышение структурной стабильности сплава на ресурс.

Для достижения технического результата предложен жаропрочный литейный сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, титан, ниобий, бор, тантал, гафний, цирконий, кальций, магний, а также лантан, церий, иттрий, барий, рений при следующем соотношении компонентов, масс. %:

углерод	до 0,15
хром	13-17
алюминий	3-4
титан	3-5
кобальт	8-11
вольфрам	2-6
молибден	0,3-2
тантал	0,3-2,3
ниобий	0,1-2,0
бор	до 0,02
гафний	до 0,15
цирконий	до 0,10
кальций	до 0,05
магний	до 0,05
лантан	до 0,30
церий	до 0,05
иттрий	до 0,30
барий	до 0,03
рений	до 0,15
никель	остальное.

Также предложено изделие, выполненное из данного сплава.

По сравнению со сплавом-прототипом в предлагаемом сплаве содержатся небольшие строго регламентированные количества лантана, церия, иттрия, бария и рения.

Было установлено, что дополнительное комплексное введение в сплав лантана, церия и иттрия позволило повысить высокотемпературную коррозионную стойкость сплава в сульфидно-оксидной и хлоридной средах. Указанные добавки за счет внутреннего окисления создают защитный барьерный слой на поверхности металла и тем самым тормозят диффузионные потоки ионов серы и кислорода с поверхности вглубь металла.

Наряду с влиянием на коррозионные свойства сплавов, лантан, церий и иттрий способствуют выделению из γ-твердого раствора ультрадисперсных наночастиц γ'-фазы размером до 100 нм, которые являются препятствием для перемещения дислокаций в процессе высокотемпературной ползучести, тем самым обеспечивая повышение жаропрочности.

Барий является эффективным раскислителем, и его введение в расплав перед присадкой лантана, церия и иттрия позволяет повысить и стабилизировать степень усвоения этих элементов.

Рений дополнительно упрочняет γ-твердый раствор, замедляет диффузионные процессы при высокотемпературной ползучести и тем самым способствует повышению жаропрочности.

Введение в сплав рения, а также лантана, церия и иттрия позволяет повысить структурную стабильность сплава на ресурс за счет замедления диффузионных процессов при высокотемпературной ползучести и исключения появления в процессе наработки охрупчивающих фаз.

Предлагаемый сплав может быть использован для получения деталей как с равноосной, так с направленной и монокристаллической структурой.

Пример осуществления.

В вакуумной индукционной печи ВИАМ2002 было выплавлено пять плавок предлагаемого сплава и одна плавка сплава, взятого за прототип. Масса каждой плавки составляла 10 кг. Все плавки были переплавлены в установке направленной кристаллизации УВНК-9А и отлиты в блоки с заготовками под образцы с монокристаллической структурой с кристаллографической ориентацией <001>.

После проведения термической обработки из заготовок были изготовлены образцы для испытаний на длительную прочность при высоких температурах, а также образцы для испытаний на сульфидно-оксидную и хлоридную коррозию.

Составы образцов сплавов приведены в таблице 1.

Испытания на длительную прочность проводили при температуре 870°С и напряжениях 340 и 245 МПа на базе соответственно 100 и 1000 часов, а также при температуре 980°С и напряжении 160 МПа на базе 100 часов. От каждой плавки было испытано по два образца. Результаты испытаний приведены в таблице 2.

Испытания на коррозию проводили по циклическому режиму. Один цикл испытаний включал:

- нанесение на горячую поверхность образцов солевой корки водного раствора смеси солей 75% Na₂SO₄ + 25% NaCl (для сульфидно-оксидной коррозии) или 3,5% водного раствора NaCl (для хлоридной коррозии);

- выдержку образцов при Т=850°С в течение 1 часа в нагревательной печи;

- охлаждение на воздухе.

Общая продолжительность испытаний - 30 циклов.

Оценку стойкости образцов к коррозии проводили по удельному изменению (убыли) массы путем взвешивания образцов через каждые 5 циклов.

На каждый вид испытаний на коррозию было изготовлено по 6 образцов. Усредненные результаты испытаний по 6-и образцам приведены в таблице 2.

Полученные результаты показывают, что долговечность предлагаемого сплава при испытаниях на длительную прочность при всех режимах заметно превосходят долговечность сплава - прототипа, т.е. предлагаемый сплав обладает более высоким уровнем жаропрочности.

Предлагаемый сплав обладает высокой коррозионной стойкостью при температуре испытаний 850°С: удельное изменение (убыль) массы образцов как при сульфидно-оксидной, так и при хлоридной коррозии почти в 2 раза меньше, чем у сплава-прототипа.

Металлографический анализ структуры разрушенных образцов после испытаний на длительную прочность при температуре 870°С и напряжении 245 МПа на базе более 1000 часов (табл. 2) не выявил образования охрупчивающих ТПУ-фаз (σ, μ и др.), что подтверждает высокую фазовую и структурную стабильность предлагаемого сплава.

Таким образом, предлагаемый сплав существенно превосходит известный сплав по долговечности и коррозионной стойкости, обладает фазовой стабильностью, что позволяет повысить ресурс работы и надежность изделий газотурбинных двигателей и установок, длительно работающих в агрессивных средах при повышенных температурах и напряжениях.

* элементы в сплаве присутствуют, но в меньшем количестве, нежели предел чувствительности метода определения концентрации компонентов (менее 0,00005 масс. %)

1. Жаропрочный литейный сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, титан, ниобий, бор, тантал, гафний, цирконий, кальций и магний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит лантан, церий, иттрий, барий, рений при следующем соотношении компонентов, мас. %:

углерод	до 0,15
хром	13-17
алюминий	3-4
титан	3-5
кобальт	8-11
вольфрам	2-6
молибден	0,3-2
тантал	0,3-2,3
ниобий	0,1-2,0
бор	до 0,02
гафний	до 0,15
цирконий	до 0,10
кальций	до 0,05
магний	до 0,05
лантан	до 0,30
церий	до 0,05
иттрий	до 0,30
барий	до 0,03
рений	до 0,15
никель	остальное

2. Изделие из жаропрочного литейного сплава на основе никеля, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п. 1.