жаропрочный сплав на основе никеля

Формула изобретения

Жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий хром, молибден, алюминий, кобальт, ниобий, гафний и углерод, отличающийся тем, что он получен методом гранульной металлургии и содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:

хром	15,0-16,0
молибден	7,5-8,5
алюминий	4,0-5,0
кобальт	5,0-7,0
ниобий	2,0-3,1
гафний	0,3-0,5
углерод	0,008-0,01
никель	остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии сплавов, а именно к производству свариваемых никелевых жаропрочных сплавов, используемых для изготовления теплонагруженных деталей, например корпусов газотурбинных двигателей, работающих в условиях высоких температур и напряжений.

Известен жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий следующие компоненты мас.%: хром 8,0-10,0; молибден 3,6-4,3; алюминий 4,3-5,3; ниобий 1,0-2,0; гафний 0,1-0,4; углерод 0,02-0,1; титан 1,5-3,4; вольфрам 5,2-5,9; бор 0,001-0,05; магний 0,001-0,08; цирконий 0,001-0,05; церий 0,001-0,06; никель остальное. См. патент RU 2131943 кл. С22С 19/05, опубл. 20.06.99 Бюл. №17. Это сплав с большим содержанием элементов, образующих упрочняющую '-фазу, обладает высокой прочностью при комнатной температуре. Недостатком этого сплава можно считать недостаточно высокие значения длительной прочности при 750°С. Наличие тринадцати компонентов в составе сплава приводит к нестабильности показателей каждой выплавляемой партии. А стабилизация их приводит к значительным технологическим издержкам и, в итоге, приводит к удорожанию производства сплава, к высокой потребительской стоимости и ограничению в применении.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является жаропрочный сплав на основе никеля следующего состава: (мас.%)

хром	0-20,0
молибден	0-8,0
алюминий	3,0
кобальт	0-20,0
ниобий	0-4,0
гафний	0,25-0,3
углерод	0-0,3
никель	остальное,

раскрытый в Авторском свидетельстве СССР №451769, С22С 19/00, опубл. 30.11.1974, колонка 1, строки 5-21 - 1 стр. Присутствие в данном сплаве гафния 0,25-0,3 мас.% при наличии дополнительного элемента - кобальта до 20,0 мас.% позволяет повысить его пластичность. Однако данная пластичность проявляется только при эксплуатационном использовании и не проявляется при технологической обработке данного сплава, в частности при сварке. Поэтому для этого сплава невозможно применить сварку, что ведет к уменьшению технологических операций при изготовлении из него изделий. Наличие небольшого количества Al ( 3,0 мас.%) в составе этого сплава делает невозможным использование очень эффективного (в т.ч. и по весовым и стоимостным характеристикам) способа повышения прочности никелевых сплавов за счет формирования в их структуре выделений упрочняющей '-фазы, количество которой находится в прямой зависимости от содержания алюминия в никелевом сплаве, что также ограничивает область применения данного сплава.

Задачей предлагаемого изобретения является создание свариваемого жаропрочного сплава на основе никеля, получаемого методом гранульной металлургии, с наименьшим количеством компонентов.

Технический результат заключается в повышении пластичности сплава и снижении технологических издержек при его изготовлении.

Для решения поставленной технической задачи предлагается жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий хром, молибден, алюминий, кобальт, ниобий, гафний, углерод и полученный гранульной металлургией, который имеет следующее соотношение входящих в основу компонентов, мас.%:

хром	15,0-16,0
молибден	7,5-8,5
алюминий	4,0-5,0
кобальт	5,0-7,0
ниобий	2,0-3,1
гафний	0,3-0,5
углерод	0,008-0,01
никель	остальное.

При проведении исследований установлено, что, используя метод гранульной металлургии, который позволяет получить более мелкодисперсную структуру и однородный состав твердого раствора, при предлагаемом соотношении компонентов сплава на основе никеля наличие молибдена 7,5-6,5 мас.% снижает склонность сплава к образованию горячих трещин, при этом наличие гафния 0,3-0,5 мас.% упрочняет '-фазу и улучшает адгезию окисной пленки к основному металлу, а также образует стойкие мелкодисперсные карбиды, повышающие пластичность до уровня, обеспечивающего свариваемость сплава с сохранением механических характеристик сварного шва на уровне свойств основного металла.

Сплавы, соответствующие предлагаемому составу и составу прототипа, были выплавлены в вакуумной индукционной печи. Химический состав предлагаемого сплава и сплава прототипа приведены в таблице 1.

Слитки, отлитые в кокиль, механически обрабатывались до устранения «черновин», а затем распылялись на гранулы размером 200-500 мкм в установке УЦР-2.

Для получения компактных заготовок из сплавов гранулы в капсулах из стали Ст20 подвергались горячему изостатическому прессованию в газостате. Механические свойства (предел прочности _в ²⁰ и относительное удлинение ²⁰ при 20°С) полученных заготовок определяли на стандартных цилиндрических образцах при растяжении (ГОСТ 1497-84). Оценку свариваемости сплава проводили технологическим методом на кольцевых пробах (ГОСТ 26389-84 «Методы испытаний на сопротивляемость образованию горячих трещин при сварке плавлением»). Свойства предлагаемого сплава (№№I, II, III) и сплава прототипа приведены в таблице 2.

При сравнении полученных результатов видно, что предлагаемый сплав обладает хорошей свариваемостью и более высоким уровнем прочности

Таблица 1
Составы предлагаемого сплава и сплава-прототипа.
№ состава сплава	Содержание элементов, мас.%
	Cr	Mo	Al	Со	Nb	Hf	С	Ni
I	15,0	7,5	4,0	5,0	2,0	0,3	0,008	ост.
II	15,5	8,0	4,5	6,0	2,6	0,4	0,009	ост.
III	16,0	8,5	5,0	7,0	3,1	0,5	0,01	ост.
Прототип	10,0	4,0	1,8	10,0	1,9	0,25	0,12	ост.

Таблица 2
Свойства предлагаемого сплава и сплава-прототипа.
Наименование свойств	в 20, МПа	20, %	Максимальная протяженность трещины, мм	Максимальное количество трещин в зоне воздействия сварного шва, шт
№ состава сплава
I	1200	28,8	0	0
II	1260	28,0	0	0
III	1350	26,9	0	0
Прототип	1100	12,8	12	11

Снижение или увеличение количества входящих в сплав компонентов за предложенные пределы заявленного соотношения компонентов приводит к снижению общего уровня механических свойств или приводит к падению прочности, повышению чувствительности сплава к концентраторам напряжения, либо падению технологических преимуществ, что отражено в таблице 3.

Таблица 3
Хром	Ниже 15% - недостаточный уровень жаростойкости
	Выше 16% - опасность выделения в сложнолегированном сплаве самостоятельных фаз на основе Cr, ухудшающих эксплуатационные характеристики, уменьшение температуры солидуса, что приводит к снижению длительной прочности
Молибден	Ниже 7,5% - недостаточный уровень твердорастворного упрочнения
	Выше 8,5% - опасность внутреннего окисления при высоких температурах, увеличение плотности сплава
Алюминий	Ниже 4% - недостаточный уровень прочности
	Выше 5% - горячее растрескивание при сварке из-за образования легкоплавких эвтектик с Ni по границам зерен
Кобальт	Ниже 5% - недостаточный уровень технологической пластичности выше
	Выше 7% - неэффективно из-за высокой стоимости
Ниобий	Ниже 2% - недостаточное упрочнение '-фазы и карбидообразование
	Выше 3,1% - выделение фазы Ni3Nb пластичной морфологии, массивное выделение карбидов по границам зерен, что приводит к существенному охрупчиванию сплава
Гафний	Ниже 0,3% - недостаточно для связывания углерода в карбиды и предотвращение его сегрегации на поверхности гранул
	Выше 0,5 - неэффективно из-за высокой стоимости
Углерод	Ниже 0,008% - недостаточный уровень карбидного упрочнения, существенное удорожание технологического процесса из-за операции обезуглероживания
	Выше 0,01% - сегрегация углерода на поверхности гранул, приводящая к существенному снижению прочностных характеристик

Таким образом, удалось получить свариваемый жаропрочный сплав на основе никеля, получаемый методом гранульной металлургии, с наименьшим количеством компонентов повышенной пластичности при снижении технологических затрат. Использование предлагаемого жаропрочного сплава на основе никеля позволяет создавать газотурбинные двигатели нового поколения.