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

Изобретение относится к металлургии, в частности к коррозионно-стойким жаропрочным сплавам на основе никеля для деталей горячего тракта газотурбинных двигателей и установок, длительно работающих в агрессивных средах при температурах 800-1000°С. Жаропрочный литейный сплав на основе никеля содержит, мас.%: углерод 0,10-0,20, хром 21,5-23,5, кобальт 18,0-20,0, титан 3,0-4,5, вольфрам 1,0-3,0, алюминий 1,0-3,0, тантал 0,8-2,5, цирконий до 0,15, бор до 0,020, ниобий 0,5-1,5, лантан до 0,20, барий до 0,10, никель - остальное. Сплав характеризуется высокими значениями длительной прочности, сульфидно-оксидной и хлоридной коррозионной стойкости, а также технологичностью и структурной стабильностью при температуре 850°С. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 7 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 800-1000°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 длительной прочности при рабочих температурах, а также низкую коррозионную стойкость при эксплуатации в агрессивных средах, содержащих примеси серы и хлора.

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

хром	9,5-14
кобальт	7-11
молибден	1,0-2,5
вольфрам	3,0-4,0
тантал	1,0-4,0
ниобий	до 1,0
алюминий	3,0-4,0
титан	3,0-5,0
титан и алюминий	6,5-8,0
бор	0,005-0,05
цирконий	0,01-0,25
углерод	0,02-0,25
никель	остальное

(US 3619182 А, 09.11.1971).

Сплав имеет достаточно высокие прочностные и пластические характеристики, но отличается пониженной структурной стабильностью при длительной работе (свыше 500 часов), что связано с выпадением в условиях высокотемпературного воздействия охрупчивающих ТПУ-фаз (σ, μ и др.), которые существенно понижают жаропрочные свойства сплава и ограничивают ресурс работы двигателя.

Отрицательное влияние ТПУ-фаз на долговременные высокотемпературные свойства жаропрочного сплава проявляется в том, что эти хрупкие фазы игольчатой морфологии являются концентраторами напряжений, на которых зарождаются микротрещины, ведущие к преждевременному разрушению деталей из данного сплава.

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

углерод	0,13-0,165
хром	22-22,6
кобальт	18,5-19,4
титан	3,6-3,8
вольфрам	1,9-2,2
алюминий	1,8-2,1
тантал	1,0-1,5
цирконий	0,08-0,12
бор	0,008-0,012
ниобий	0,8-1,2
церий	0,01-0,2
никель	остальное

(High Temperature Alloys For Gas Turbines «Program Conference Liege» 04-06 October 1982, pp. 369-393).

Сплав, взятый за прототип, имеет невысокие характеристики длительной прочности, сульфидно-оксидной и хлоридной стойкости при температурах 800-1000°С, а также пониженную структурную стабильность.

Таким образом, известные сплавы при рабочих температурах 800-1000°С не обладают оптимальным сочетанием служебных свойств (длительная прочность, сопротивление высокотемпературной коррозии, структурная стабильность в процессе эксплуатации), а также технологичностью при отливке деталей.

Задачей предложенного изобретения является разработка структурно-стабильного литейного жаропрочного сплава на основе никеля с улучшенными служебными свойствами.

Техническим результатом предложенного изобретения является повышение длительной прочности, сульфидно-оксидной и хлоридной коррозионной стойкости и структурной стабильности сплава при температуре 850°С, а также его технологичности.

Для достижения технического результата предложен литейный жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, титан, вольфрам, алюминий, тантал, цирконий, бор, ниобий, лантан, барий при следующем соотношении компонентов, масс. %:

углерод	0,10-0,20
хром	21,5-23,5
кобальт	18,0-20,0
титан	3,0-4,5
вольфрам	1,0-3,0
алюминий	1,0-3,0
тантал	0,8-2,5
цирконий	до 0,15
бор	до 0,020
ниобий	0,5-1,5
лантан	до 0,20
барий	до 0,10
никель	остальное.

Предпочтительное суммарное содержание алюминия и титана в сплаве составляет 4,9-6,0 масс. %.

Также предложено изделие, выполненное из данного сплава.

По сравнению со сплавом-прототипом в предлагаемом сплаве вместо церия введен лантан. Лантан обладает наибольшей величиной атомного и ковалентного радиусов среди лантаноидов, благодаря чему он более надежно блокирует вакантные места в кристаллической решетке сплава и тем самым замедляет диффузионные процессы в условиях высокотемпературной ползучести. За счет замедления скорости разупрочнения сплава повышается его длительная прочность и структурная стабильность.

Было установлено, что введение в сплав лантана (вместо церия) более эффективно для понижения скорости высокотемпературной сульфидно-оксидной и хлоридной коррозии за счет ослабления скорости диффузионных потоков ионов серы, хлора и кислорода через поверхность раздела металл-оксидная пленка.

Давление пара лантана при температуре 1600°С почти в 2 раза ниже, чем у церия (0,88 и 1,6 Па соответственно), т.е. в условиях плавки сплава в вакууме лантан будет удаляться из расплава в 2 раза медленнее и тем самым он более продолжительное время будет находиться в расплаве и эффективно положительно влиять на весь комплекс свойств сплава.

Барий, в отличие от других щелочноземельных металлов - кальция и магния, имеет более низкое давление пара при температурах плавки, что позволяет эффективно его использовать для раскисления расплава перед присадкой лантана и тем самым стабилизировать его усвоение.

Таким образом, введение бария и лантана повышает технологичность данного сплава.

Ограничение суммарного содержания алюминия и титана в диапазоне 4,9-6,0 масс. % обеспечивает хорошую свариваемость сплава и дополнительно повышает его жаропрочность за счет формирования необходимого количества упрочняющей γ'-фазы.

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 плавильно-заливочной установке УППФ-У и отлиты блоки с заготовками под образцы с равноосной структурой.

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

Химические составы образцов сплавов приведены в таблице 1.

Испытания на длительную прочность проводили при температуре 850°С и напряжениях 350 и 220 МПа на базе 50-100 часов и 800-1000 часов соответственно. 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 повышенных температурах заметно превосходят свойства сплава - прототипа, т.е. предлагаемый сплав отличается более высоким уровнем длительной прочности, при этом соблюдение суммарного содержания алюминия и титана в диапазоне 4,9-6,0 масс. % (примеры 1-5) дополнительно повышает его жаростойкость: время до разрушения при испытании на длительную прочность увеличилось на 5-20 часов при Т=850°С, σ=350 МПа, и на 30-180 часов при Т=850°С, σ=220 МПа.

Предлагаемый сплав обладает высокой коррозионной стойкостью при температуре испытаний 850°С. Как видно из таблицы 2, удельное изменение (убыль) массы образцов как при сульфидно-оксидной, так и при хлоридной коррозии в 1,5-2 раза меньше, чем у сплава-прототипа.

При проведении контроля качества литых деталей из предлагаемого сплава микропористость в них практически отсутствует, что свидетельствует о высокой технологичности сплава.

После проведения испытаний на длительную прочность при температуре 850°С и напряжении 220 МПа на базе 800-1000 часов была исследована микроструктура разрушенных образцов. Металлографический анализ подтвердил отсутствие охрупчивающих ТПУ-фаз (σ, μ и др.), что свидетельствует о высокой фазовой и структурной стабильности предлагаемого сплава.

Таким образом, предлагаемый сплав существенно превосходит известный сплав по длительной прочности, а также по высокотемпературной коррозионной стойкости. Сплав обладает структурно-фазовой стабильностью при эксплуатации, 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, титан, вольфрам, алюминий, тантал, цирконий, бор и ниобий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит лантан и барий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	0,10-0,20
хром	21,5-23,5
кобальт	18,0-20,0
титан	3,0-4,5
вольфрам	1,0-3,0
алюминий	1,0-3,0
тантал	0,8-2,5
цирконий	до 0,15
бор	до 0,020
ниобий	0,5-1,5
лантан	до 0,20
барий	до 0,10
никель	остальное

2. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что суммарное содержание алюминия и титана составляет 4,9-6,0 мас.%.

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