Жаропрочный сплав на никелевой основе и изделие, выполненное из него
Владельцы патента RU 2710759:
Акционерное общество "Объединенная двигателестроительная корпорация" (АО "ОДК") (RU)
Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству жаропрочных сплавов, и может быть использовано при изготовлении лопаток газотурбинных двигателей, длительно работающих при температурах до 1200°С. Жаропрочный сплав на основе никеля содержит, мас. %: хром 1,3-3,3, кобальт 4,5-9,0, алюминий 5,3-5,9, вольфрам 0,2-2,0, молибден 0,5-2,5, тантал 7,0-10,0, рений 8,0-12,0, лантан 0,002-0,1, рутений 2,0-7,0, никель – остальное. Сплав характеризуется длительной прочностью σB 110 МПа при температуре 1200°С. Обеспечивает возможность изготовления турбинных лопаток с монокристаллической структурой с их последующей термической и/или баротермической обработкой. 2 н.п. ф-лы, 2 табл., 1 пр.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству жаропрочных сплавов на никелевой основе и получаемым методом направленной кристаллизации из них изделий с монокристаллической структурой, например, турбинных лопаток газотурбинных двигателей, работающих длительно при температурах до 1200°С.
Разработка высокоэффективных жаропрочных сплавов на никелевой основе для получения рабочих турбинных лопаток с монокристаллической структурой является важнейшим фактором создания конкурентоспособных авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) нового поколения. Именно температурная способность материала рабочих лопаток турбины определяет максимальную температуру рабочего газа на входе в турбину и, следовательно - удельную мощность, экономичность, экологичность и ресурс ГТД.
Максимальная температура газа перед турбиной высокого давления в современных авиационных газотурбинных двигателях достигает 1600°С. Дальнейшее, существенно более высокое повышение рабочей температуры газа на входе в турбину может быть достигнуто путем применения монокристаллических лопаток из жаропрочного сплава на основе никеля с высоким уровнем длительной прочности при рабочей температуре 1200°С.
Из уровня техники известен жаропрочный сплав на основе никеля (RU 2402624 С1, опуб. 27.10.2010 С22С 19/05), предназначенный для изготовления методом направленной кристаллизации лопаток газовых турбин с монокристаллической структурой, работающих длительно при температурах до 1150°С, следующего химического состава, масс. %:
| Хром | 2,4-4,5 |
| Кобальт | 5,0-6,0 |
| Алюминий | 5,4-6,0 |
| Вольфрам | 3,5-4,5 |
| Молибден | 2,8-3,8 |
| Тантал | 5,3-6,3 |
| Рений | 5,8-6,8 |
| Рутений | 4,6-6,4 |
| Церий | 0,001-0,02 |
| Лантан | 0,002-0,1 |
| Неодим | 0,0005-0,01 |
| Иттрий | 0,002-0,02 |
| Углерод | 0,002-0,05 |
| Бор | 0,0004-0,004 |
| Магний и/или кальций | 0,001-0,009 |
| Никель | Остальное |
Недостатком данного сплава является невысокая жаропрочность при рабочей температуре 1200°С, не удовлетворяющая современным требованиям, предъявляемым к жаропрочным сплавам для лопаток с монокристаллической структурой газотурбинных двигателей нового поколения: дополнительные исследования показали, что время до разрушения при испытании на длительную прочность при напряжении 80 МПа известного сплава составляет 16 ч.
Из патента (US 8771440 В2, опуб. 08.07.2014 С22С 19/05) известен жаропрочный сплав на никелевой основе, предназначенный для литья монокристаллических лопаток газотурбинных двигателей, работающих длительно при высоких температурах, следующего химического состава, масс. %:
| Хром | 2,5-8,5 |
| Кобальт | 0-9,9 |
| Алюминий | 5,0-7,0 |
| Вольфрам | 4,0-10,0 |
| Молибден | 1,1-4,5 |
| Тантал | 4,0-10,0 |
| Рений | 3,1-8,0 |
| Рутений | 1,0-14,0 |
| Гафний | 0-2,0 |
| Ниобий | 0-4,0 |
| Никель | Остальное |
Недостатком данного сплава является невысокая технологичность при литье деталей с монокристаллической структурой, а именно низкий выход годных по макроструктуре структуре монокристаллических отливок, обусловленный повышенным суммарным (до 4,5 масс. %) содержанием алюминия гафния, ниобия и титана. Повышенное суммарное содержание алюминия гафния, ниобия и титана в сплаве приводит к тому, что они, сегрегируя в процессе направленной кристаллизации в междендритные области отливки лопатки из сплава, способствуют образованию значительного количества неравновесной эвтектической (перитектической) γ'-фазы типа Ni3(Al,Ti,Nb,Hf) с низкой температурой плавления.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является жаропрочный сплав на никелевой основе, известный из патента (RU 2220220 С1, опуб. 27.12.2003 С22С 19/05), предназначенный для изготовления лопаток газовых турбин с монокристаллической структурой, следующего химического состава, масс. %:
| Хром | 2,0-3,0 |
| Кобальт | 9,5-13,0 |
| Алюминий | 5,3-5,9 |
| Вольфрам | 0,1-0,9 |
| Молибден | 1,0-2,0 |
| Тантал | 7,0-10,0 |
| Рений | 11,1-13,0 |
| Церий | 0,002-0,02 |
| Лантан | 0,021-0,2 |
| Иттрий | 0,002-0,02 |
| Углерод | 0,002-0,02 |
| Бор | 0,0004-0,004 |
| Никель | остальное |
Недостатком данного сплава является склонность к образованию при направленной кристаллизации сплава и монокристаллических отливок изделий из сплава вредной топологически плотноупакованной (ТПУ) δ-фазы перитектического происхождения на основе рения, выделения которой располагаются в дендритах первого порядка монокристаллической отливки и не растворяются при последующей высокотемпературной гомогенизирующей термической обработке. Сплав, имеет невысокую жаропрочность при рабочей температуре 1200°С.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении предлагаемого изобретения и не может быть реализовано при использовании прототипа является создание сплава на никелевой основе с повышенными физико-химическими свойствами и технологичностью, необходимыми для повышения эксплуатационных характеристик монокристаллических лопаток газовых турбин, работающих при температуре 1200°С.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является разработка жаропрочного сплава на основе никеля с повышенной длительной прочностью при температуре 1200°С, с возможностью получать из данного сплава турбинные лопатки с монокристаллической структурой, а также проводить их термическую и/или баротермическую обработку.
Заявленный технический результат достигается тем, что жаропрочный сплав на основе никеля, содержит хром, кобальт, алюминий, вольфрам, молибден, тантал, рений, лантан, рутений при следующем соотношении компонентов, масс. %:
| Хром | 1,3-3,3 |
| Кобальт | 4,5-9,0 |
| Алюминий | 5,3-5,9 |
| Вольфрам | 0,2-2,0 |
| Молибден | 0,5-2,5 |
| Тантал | 7,0-10,0 |
| Рений | 8,0-12,0 |
| Лантан | 0,002-0,1 |
| Рутений | 2,0-7,0 |
| Никель | остальное |
Также предлагается изделие, выполненное из заявленного жаропрочного сплава на никелевой основе, имеющее монокристаллическую структуру.
Авторами заявленного изобретения было установлено, что пониженное содержание кобальта в предлагаемом сплаве обеспечивает повышение термической стабильности γ'-фазы (повышению температуры ее полного растворения в γ-фазе), сопротивления высокотемпературному окислению и также способствует достижению более высоких показателей высокотемпературной длительной прочности.
Пониженное содержание лантана, в предлагаемом сплаве способствует повышению температуры солидуса сплава, что позволяет проводить гомогенизирующую термическую и/или баротермическую обработку при более высокой температуре с целью более полного устранения сегрегационной неоднородности легирующих элементов сплава по дендритным ячейкам отливок монокристаллических изделий из сплава без опасности оплавления.
Отсутствие церия, иттрия, углерода и бора в предлагаемом сплаве также приводит к повышению температуры солидуса сплава, что способствует проведению гомогенизирующей термической и/или баротермической обработки отливок монокристаллических изделий из сплава при более высокой температуре без опасности их оплавления. Кроме того, отсутствие углерода и бора благоприятствует повышению сопротивления механической и термической усталости монокристаллических изделий из сплава благодаря устранению возможности образования карбидов и боридов, являющихся концентраторами напряжений и очагами зарождения трещин.
Дополнительное легировании рутением предлагаемого сплава в заявленных соотношениях остальных легирующих элементов повышает длительную прочность при рабочей температуре 1200°С за счет устранения образования при направленной кристаллизации сплава и монокристаллических отливок изделий из сплава вредной δ-фазы перитектического происхождения на основе рения и, следовательно, повышается эффективность диффузионного механизма твердорастворного упрочнения сплава.
Исследованиями методами дифференциального термического анализа и растровой электронной микроскопии было обнаружено, что легирование заявляемого сплава рутением с указанных интервалах приводит к уменьшению температуры ликвидуса сплава, тем самым уменьшатся склонность сплава к образованию при направленной кристаллизации избыточной δ-фазы на основе рения перитектического происхождения. В результате наблюдается значительное повышение высокотемпературной (1200°С) длительной прочности, что способствует повышению высокотемпературной длительной прочности сплава и изделия с монокристаллической структурой из него. Кроме того, введение в состав сплава рутения, имеющего низкий коэффициент диффузии и растворяющегося как и рений в основном в γ-твердом растворе сплава и материала изделия из него, понижает диффузионную подвижность атомов компонентов сплава в этой фазе, что способствует повышению сопротивления высокотемпературной ползучести и длительной прочности.
Пример осуществления
В вакуумной индукционной печи были осуществлены три плавки предлагаемого сплава и одна плавка сплава-прототипа. Химический состав предлагаемого сплава и сплава-прототипа приведен в таблице 1. Из выплавленных сплавов изготавливали образцы для исследований методами дифференциального термического анализа, по результатам которых определяли температуру ликвидуса TL. Далее выплавленные сплавы переплавляли в вакуумной установке для направленной кристаллизации и получали изделия с монокристаллической структурой кристаллографической ориентации <001> в виде цилиндрических отливок диаметром 16 мм и длиной 185 мм. Далее из этих отливок изготавливали образцы для исследований методами дифференциального термического анализа и количественной металлографии, по результатам которых определяли температуру солидуса TS и объемную долю выделений перитектической δ-фазы Vδ.
С учетом измеренной температуры солидуса полученные монокристаллические отливки из сплавов подвергали термической обработке, включающей высокотемпературный гомогенизирующий отжиг и двухступенчатое старение. Из термически обработанных таким образом отливок изготавливали образцы для механических испытаний (длина образца 70 мм, рабочая база 25 мм, рабочий диаметр 5 мм) на растяжение и длительную прочность.
Испытания образцов сплавов на растяжение проводили при температуре 1200°С в атмосфере воздуха, по результатам которых определяли предел прочности, предел текучести, относительное удлинение и сужение.
Испытания образцов сплавов на длительную прочность проводили в атмосфере воздуха при температурах 975 и 1200°С и напряжениях 440 МПа и 80 МПа соответственно.
По результатам испытаний на длительную прочность определяли время до разрушения при указанных температурах и напряжениях.
Полученные характеристики композиций заявляемого сплава и изделий, выполненных из него, и сплава-прототипа приведены в таблице №2.
Как видно из таблицы 2, предлагаемый сплав и изделие, выполненного из него имеет более низкие значения температуры ликвидуса (на 23-34°С) и более высокие значения температуры солидуса (на 25-33°С) и характеризуется практически отсутствием выделений избыточной δ-фазы на основе рения перитектического происхождения, чем сплав по прототипу. Кроме того, значения параметра ΔЕ, характеризующие фазовую стабильность, у предлагаемого сплава меньше критических, что свидетельствует об отсутствии склонности его к выделению вредных ТПУ фаз. Параметр ΔЕ определяли по формуле:
где Zi, Ai, Ei - соответственно атомная концентрация, атомная масса и количество валентных электронов i-го химического элемента в сплаве; i - любой из указанных ниже химических элементов (например, в порядке перечисления элементов i=1 - Cr, 2 - Со и т.д. для Al, W, Мо, Та, Re, Ru, Ni); n=9 (количество указанных выше химических элементов).
Установлено, что предпочтительное содержание в предлагаемом сплаве хрома, кобальта, алюминия, вольфрама, молибдена, тантала, рения, рутения и никеля соответствует предпочтительным значениям параметра ΔЕ, характеризующего фазовую стабильность никелевого жаропрочного сплава, которые лежат в пределах от -0,10 до 0.
В результате действия легирующего элемента рутения при заявленном соотношении остальных легирующих элементов и, следовательно, улучшения физико-химических свойств, технологичности и стабилизации фазового состава значения характеристик кратковременной прочности σ0,2 и σВ при температуре 1200°С предлагаемого сплава и изделия, выполненного из него соответственно на 46% и 41% больше, чем у сплава и изделия из него, известного из прототипа. Характеристика длительной прочности -время до разрушения предлагаемого сплава больше в 1,5 раза при температуре 975°С и в 3,3 раза при температуре 1200°С, чем сплава известного из прототипа. Технологическое преимущество предлагаемого сплава заключается в повышенном значении температуры солидуса и, как следствие, возможности проводить гомогенизирующую термическую и/или баротермическую обработку при более высокой температуре с целью более полного устранения сегрегационной неоднородности легирующих элементов сплава по дендритным ячейкам отливок монокристаллических изделий из сплава без опасности оплавления.
Таким образом, предлагаемый жаропрочный сплав на основе никеля значительно превосходит сплав-прототип по характеристикам кратковременной и длительной прочности при температуре 1200°С. Это позволяет использовать предлагаемый сплав для производства турбинных монокристаллических рабочих лопаток газотурбинных двигателей, длительно работающих при температурах до 1200°С.
Изделия из предлагаемого сплава имеют повышенную высокотемпературную длительную прочность, и, следовательно, надежность и ресурс при более высокой рабочей температуре.
1. Жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий хром, кобальт, алюминий вольфрам, молибден, тантал, рений, лантан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит рутений при следующем соотношении компонентов, мас. %:
| Хром | 1,3-3,3 |
| Кобальт | 4,5-9,0 |
| Алюминий | 5,3-5,9 |
| Вольфрам | 0,2-2,0 |
| Молибден | 0,5-2,5 |
| Тантал | 7,0-10,0 |
| Рений | 8,0-12,0 |
| Лантан | 0,002-0,1 |
| Рутений | 2,0-7,0 |
| Никель | остальное |
2. Изделие из жаропрочного сплава на основе никеля, имеющего монокристаллическую структуру, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п. 1.
