никелевый жаропрочный сплав для монокристаллического литья и изделие, выполненное из него

Формула изобретения

1. Никелевый жаропрочный сплав для монокристаллического литья, содержащий хром, кобальт, молибден, вольфрам, тантал, рений, рутений, алюминий, углерод, бор, иттрий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит церий, лантан и неодим при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Хром	2,1-3,3
Кобальт	5,0-7,0
Молибден	3,5-5,0
Вольфрам	3,2-4,8
Тантал	4,0-5,0
Рений	5,6-7,0
Рутений	2,0-6,0
Алюминий	5,7-6,3
Углерод	0,002-0,02
Бор	0,0004-0,004
Иттрий	0,002-0,02
Церий	0,001-0,02
Лантан	0,002-0,25
Неодим	0,0005-0,01
Никель	Остальное

2. Изделие из никелевого жаропрочного сплава для монокристаллического литья, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п.1.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии сплавов, в частности к производству никелевых жаропрочных сплавов и изготовлению из них изделий с монокристаллической структурой, например лопаток газовых турбин.

Известен никелевый жаропрочный сплав и изделие из него следующего химического состава, мас.%:

Хром	3,5-7,5
Молибден	0-1,5
Вольфрам	3,5-8,5
Тантал	4,5-9,0
Рений	1,5-5,5
Рутений	0-5,5
Алюминий	5,0-6,5
Титан	0-2,5
Гафний	0,08-0,12
Кремний	0,08-0,12
Иттрий	0-0,05
Никель	остальное

[патент ЕР №0971041, B1]

Известный сплав и изделия из этого сплава предпочтительного химического состава с монокристаллической структурой, например лопатки газовой турбины, обладают достаточно высокими удельными характеристиками длительной прочности в интервале температур 760-950°С. Однако в рабочем интервале температур 1050-1100°С и долговечностях выше 500 ч заявленный уровень длительной прочности не удовлетворяет современным требованиям, предъявляемым к жаропрочным сплавам для литья монокристаллических лопаток газовых турбин нового поколения.

Известен никелевый жаропрочный сплав и выполненное из него изделие следующего химического состава, мас.%:

Хром	4-5
Кобальт	11-14
Молибден	0-1
Вольфрам	4-8
Тантал	6-10
Рений	5,5-8
Рутений	0-6
Алюминий	5-7
Гафний	0-0,5
Углерод	0-0,07
Ниобий	0-1,0
Бор	0-0,01
Иттрий	0-0,03
Никель	остальное

[патент США №5151249]

После термической обработки характеристики длительной прочности одной из предпочтительной композиции сплава достигают следующих максимальных значений: при температуре 1093°С и напряжении 126 МПа время до разрушения составляет 1195 ч, а при температуре 982°С и напряжении 280 МПа время до разрушения составляет 484 ч. Сплав склонен к выделению ТПУ фазы, ее объемная доля в структуре сплава составляет 1,0%. Сплав предпочтительного состава имеет высокую плотность 9,1 г/см³ и по удельным характеристикам длительной прочности не обладает преимуществом по сравнению с первым сплавом.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является никелевый жаропрочный сплав для монокристаллического литья и изделие, выполненное из этого сплава следующего химического состава, мас.%:

Хром	1,25-6,0
Кобальт	4,25-17,0
Молибден	0,9-2,0
Вольфрам	3,0-7,5
Тантал	5,8-10,7
Рений	4,5-5,75
Рутений	0,4-6,5
Алюминий	5,0-6,6
Титан	0-1,0
Гафний	0-0,05
Углерод	0-0,06
Ниобий	0-1,0
Бор	0-0,01
Иттрий	0-0,02
Никель	остальное

Суммарное содержание в ат.% элементов первой группы (Мо, Cr, Nb) составляет 1,5-8,0%, второй группы (Al, Ti, W) - 13,5-17,2% [патент США №5482789].

Известный сплав и монокристаллическое изделие из этого сплава предпочтительного химического состава имеет весьма высокую долговечность, равную 618 часов при температуре 1093°С и напряжении 124 МПа. Недостатком известного сплава является склонность к образованию вредных топологически плотно упакованных (ТПУ) фаз, образующихся при длительном (200 ч) высокотемпературном (1050°С) воздействии, что приводит к преждевременному разрушению сплава и изделия из него. Плотность сплава - 8,8 г/см ³.

Отрицательное влияние ТПУ фаз на долговременные высокотемпературные свойства жаропрочного сплава и изделий из него проявляются в том, что эти хрупкие фазы игольчатой морфологии являются концентраторами напряжений, на которых зарождаются микротрещины, ведущие к преждевременному разрушению. Помимо этого, ТПУ фазы связывают значительное количество тугоплавких элементов (рений, вольфрам, молибден) и их концентрация в - и '-фазах понижается. Тем самым снижается эффективность механизмов твердорастворного и дисперсионного упрочнения сплава. В результате характеристики длительной прочности сплава и монокристаллического изделия из этого сплава уменьшаются. Кроме того, высокая суммарная концентрация '-образующих элементов, таких как алюминий, титан и тантал, обуславливает большую объемную долю эвтектики + ' в литом состоянии, для растворения которой требуются длительные гомогенизирующие отжиги при высоких температурах.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание никелевого жаропрочного сплава для монокристаллического литья и изделия из него с плотностью 8,9 г/см³ и с повышенными характеристиками фазовой стабильности, жаропрочности и технологичности.

Для достижения поставленной задачи предложен никелевый жаропрочный сплав для монокристаллического литья, содержащий хром, кобальт, молибден, вольфрам, тантал, рений, рутений, алюминий, углерод, бор, иттрий, в который дополнительно введены церий, лантан и неодим при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Хром	2,1-3,3
Кобальт	5,0-7,0
Молибден	3,5-5,0
Вольфрам	3,2-4,8
Тантал	4,0-5,0
Рений	5,6-7,0
Рутений	2,0-6,0
Алюминий	5,7-6,3
Углерод	0,002-0,02
Бор	0,0004-0,004
Иттрий	0,002-0,02
Церий	0,001-0,02
Лантан	0,002-0,25
Неодим	0,0005-0,01
Никель	остальное

и изделие, выполненное из него.

Повышение высокотемпературной длительной прочности предложенного сплава достигается за счет синергетического действия редкоземельных элементов La, Се и Nd вместе с тугоплавкими элементами Мо и Ru при заявленном соотношении остальных легирующих элементов. Совместное легирование несколькими редкоземельными элементами La, Се и Nd значительно усиливает сопротивление окислению никелевых жаропрочных сплавов по сравнению с введением в сплав одного любого из них.

Дополнительными исследованиями радиоизотопными методами было обнаружено новое физическое явление, состоящее в том, что атомы редкоземельных элементов La, Се и Nd адсорбируются на межфазных поверхностях раздела между частицами '-фазы и -твердого раствора и упрочняют межфазные поверхности. Совокупное влияние на упрочнение поверхностей раздела суммы этих элементов в заявленных пределах намного превосходит вклад каждого элемента в отдельности, и, как следствие, наблюдается значительное повышение характеристик длительной прочности.

Молибден и рутений в основном растворяются в -твердом растворе сплава и материала изделия из него примерно с одинаковыми коэффициентами распределения между '-фазой и -раствором. Совместное действие рутения и молибдена в заявляемых соотношениях вызывает значительно большее увеличение периода кристаллической решетки -твердого раствора и, тем самым, повышение параметра размерного несоответствия периодов кристаллических решеток - и '-фаз (мисфита) по сравнению с их раздельным влиянием на этот важный фактор жаропрочности. В результате повышается сопротивление длительной высокотемпературной ползучести.

Кроме того, рутений, имея более узкие концентрационные и температурные области существования ТПУ фаз с основными ТПУ-образующими элементами, такими как вольфрам, молибден и хром, в никелевом жаропрочном сплаве и изделии из него стабилизирует -твердый раствор, уменьшая тем самым склонность сплава к образованию ТПУ фаз.

Пониженное содержание тантала в предлагаемом сплаве обеспечивает достижение заявленного значения плотности сплава 8,9 г/см.³

Исключение из химического состава заявляемого сплава '-образующих элементов, таких как титан, ниобий и гафний, наряду с легированием -стабилизирующими элементами такими, как рутений и молибден, способствует понижению объемной доли эвтектической составляющей в литой структуре сплава и тем самым улучшает технологические свойства заявляемого сплава, в частности режимы горячего изостатического прессования для залечивания микропор и режимы последующей термической обработки.

Пример осуществления. В лабораторных условиях были выплавлены в вакуумной индукционной печи четыре сплава предлагаемого состава и один сплав предпочтительного состава, взятого за прототип. Химические составы предлагаемого сплава и сплава прототипа приведены в таблице 1. Затем эти сплавы переплавляли в вакуумной печи для направленной кристаллизации в виде цилиндрических слитков диаметром 16 мм и длиной 190 мм с монокристаллической структурой и осевой ориентацией, близкой к кристаллографическому направлению <001>. Далее из этих слитков изготавливали образцы для дифференциального термического анализа, по результатам которого определяли температуры полного растворения упрочняющей '-фазы T_п.р., локального плавления Т_л.пл.. С учетом этих температур отливки подвергали термической обработке, включающей гомогенизирующий отжиг и 2-ступенчатое старение. Из термически обработанных таким образом монокристаллических отливок изготавливали образцы для механических испытаний на длительную прочность (длина образца 70 мм, рабочая база 25 мм, рабочий диаметр 5 мм), рентгеноструктурного и металлографического анализов, по результатам которых определяли длительную прочность, параметр размерного несоответствия периодов кристаллических решеток - и '-фаз (мисфит) а и объемные доли выделений эвтектики ( + ') V_эвт и микропор гомогенизации V_п.г.. Испытания на длительную прочность проводили на воздухе при температурах 1150 и 1100°С и напряжениях 85 и 120 МПа соответственно. Определение параметра размерного несоответствия периодов кристаллических решеток - и '-фаз (мисфита) и объемную долю микропор гомогенизации осуществляли при комнатной температуре. Полученные характеристики композиций сплава и изделий, выполненных из него, приведены в таблице 2. Как видно из таблицы 2, предлагаемый сплав и изделие, выполненное из него, имеют меньшую долю выделений эвтектики ( + ') и микропор гомогенизации и высокую величину размерного несоответствия периодов кристаллических решеток - и '-фаз. Кроме того, значения параметров

и

характеризующих фазовую стабильность предлагаемого сплава меньше критических, что свидетельствует об отсутствии склонности его к выделению вредных ТПУ фаз. В результате стабилизации фазового состава и совместного действия редкоземельных элементов характеристики длительной прочности (долговечность) предлагаемого сплава и изделия из него при температуре 1150°С, напряжении 85 МПа и при температуре 1100°С и напряжении 120 МПа больше в 2 раза, чем таковые для сплава и изделия из него, взятого за прототип. Плотность сплава и изделия из него составляет 8,8-8,9 г/см³.

Технологическое преимущество предлагаемого сплава заключается в меньшей объемной доле неравновесной эвтектики ( + ') и, как следствие, микропор, возникающих при растворении эвтектики в процессе гомогенизации. В свою очередь, это обстоятельство позволяет сократить время и снизить величину давления при горячем изостатическом прессовании, в процессе которого микропоры залечиваются.

Таким образом, предлагаемый никелевый жаропрочный сплав и изделие из него значительно превосходит известный сплав и изделие из него по характеристикам фазовой стабильности и длительной прочности в интервале температур 1100-1150°С, что позволяет его рекомендовать для производства монокристаллических турбинных лопаток.

Литература

1. Yukawa N., Morinaga M., Ezaki H., Murata Y. Alloy design of superalloys by the d-electrons concept //High Temperature Alloys for Gas Turbines and Other Applications //Proc. of Conf. Held in Liege, Belgium. Dordrecht, 1986. P.935-944.

2. Морозова Г.И. Закономерность формирования химического состава '/ -матриц многокомпонентных никелевых сплавов //ДАН СССР. 1991. Т.320, №6. С.1413-1416.