состав литейного жаропрочного сплава на основе никеля
Классы МПК: | C22C19/05 с хромом |
Автор(ы): | Елисеев Юрий Сергеевич (RU), Поклад Валерий Александрович (RU), Оспенникова Ольга Геннадиевна (RU), Ларионов Валентин Николаевич (RU), Логунов Александр Вячеславович (RU), Разумовский Игорь Михайлович (RU), Гаврилюк Виктор Васильевич (RU) |
Патентообладатель(и): | Федеральное государственное унитарное предприятие "Московское машиностроительное производственное предприятие "Салют" (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2006-12-27 публикация патента:
20.01.2009 |
Изобретение относится к области металлургии. Состав литейного жаропрочного сплава на основе никеля содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: хром - 3,0-7,0, кобальт - 4,0-8,5, углерод - 0,1-0,2, вольфрам - 11,5-15,0, алюминий - 4,8-5,8, ниобий - 0,4-1,0, титан - 2,0-3,0, молибден - 0,5-1,0, бор - 0,025, церий - 0,02, лантан - 0,02, иттрий - 0,02 и никель - остальное. Изобретение направлено на повышение прочностных характеристик сплава, стабильности сплава при температурах не выше 1000°С и жаростойкости сплава. 2 табл.
Формула изобретения
Состав литейного жаропрочного сплава на основе никеля, включающий никель, хром, кобальт, углерод, вольфрам, алюминий, ниобий, титан, молибден, бор и церий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит лантан и иттрий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
хром | 3,0-7,0 |
кобальт | 4,0-8,5 |
вольфрам | 11,5-15,0 |
углерод | 0,1-0,2 |
алюминий | 4,8-5,8 |
ниобий | 0,4-1,0 |
титан | 2,0-3,0 |
молибден | 0,5-1,0 |
бор | 0,025 |
лантан | 0,02 |
иттрий | 0,02 |
церий | 0,02 |
никель | остальное до 100%. |
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным никелевым сплавам, используемым при изготовлении высоконагруженных деталей газотурбинных двигателей, например рабочих лопаток, работающих при температурах до 1000°С.
Известны жаропрочные сплавы на основе никеля, содержащие хром, алюминий, титан, молибден и вольфрам (Химушин Ф.Ф. Жаропрочные стали и сплавы. - М., 1969 г., с.371) - аналог.
Известные сплавы, обладая высокими технологическими свойствами, имеют предел сточасовой длительной прочности при 1000°С не более 150-180 МПа.
Известен сплав ЖС-6К, содержащий никель, хром, кобальт, молибден, вольфрам, титан, алюминий, церий и бор (Коррозионно-стойкие и жаропрочные стали и сплав. Справочник по авиационным материалам. М.: ВИАМ, 1975 г, т.3, с.525-532) - аналог.
Данный сплав имеет предел сточасовой длительной прочности при 1000°С - 150-160 МПа.
Из-за недостаточно высоких показателей предела сточасовой длительной прочности сплав ЖС-6К также не может быть использован при изготовлении высоконагруженных деталей газотурбинных двигателей, например рабочих лопаток.
Известен жаропрочный никелевый сплав ЖС-6У, содержащий никель, углерод, хром, кобальт, бор, молибден, вольфрам, титан, алюминий, ниобий и церий (патент РФ №2130088, МПК 6: С22С 19/05, опубликовано 1999.05.10) - прототип.
Данный сплав имеет предел сточасовой прочности при 1000°С - 170-180 МПа.
Из-за недостаточно высоких показателей предела сточасовой длительной прочности сплав ЖС-6У также не может быть использован при изготовлении высоконагруженных деталей газотурбинных двигателей.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение прочностных характеристик никелевых жаропрочных сплавов с поликристаллической структурой, таких как предел сточасовой прочности и стабильность сплава при температурах не выше 1000°С, жаростойкость сплава и т.д., путем создания сбалансированной системы их легирования и, как следствие, уменьшение вероятности зарождения статических и усталостных трещин на границах зерен.
Указанный технический результат достигается тем, что состав жаропрочного сплава (ЖС6У-ПК) на основе никеля содержит никель, хром, углерод, кобальт, вольфрам, алюминий, ниобий, титан, молибден, бор и церий дополнительно содержит лантан и иттрий в следующем соотношении компонентов (мас.%): хром - 3,0-7,0, углерод - 0,1-0,2, кобальт - 4,0-8,5, вольфрам 11,5-15,0, алюминий - 4,8-5,8, ниобий -0,4-1,0, титан - 2,0-3,0, молибден - 0,5-1,0, бор - 0,025, лантан - 0,02, иттрий - 0,02, церий - 0,02, никель - остальное до 100%.
Разработка заявляемого состава жаропрочного никелевого сплава с поликристаллической структурой, позволяющего получить заявляемый технический результат, основана на следующем.
Из уровня техники, в частности из анализа результатов эксплуатации газотурбинной техники, известна важная роль границ зерен в процессе разрушения образцов из поликристаллических сплавов при их испытаниях на долговечность и усталость при температурах до 1000°С. Установлено, что при всех исследованных температурах зарождение статических и усталостных трещин происходит на границах зерен, причем при температурах до 800°С - трещины распространяются преимущественно вдоль границ зерен. При температурах 900°С трещины развиваются еще и по телу зерен, а при дальнейшем повышении температуры - трещины зарождаются в основном на окисленных карбидах на поверхности образцов.
Таким образом, для достижения заявляемого технического результата при выборе системы легирования поликристаллических жаропрочных никелевых сплавов особое внимание следует уделять состоянию границ зерен, а для этого целесообразно включение в систему легирования карбидообразующих и других элементов, стабилизирующих границы зерен, и необходима система поверхностно-активных элементов - микролегирующих добавок, образующих равновесные сегрегации на структурных дефектах и тем самым снижающих энергию границ зерен при их сочетании с остальными элементами, входящими в состав сплава.
Количество и состав микролегирующих добавок влияет не только на границы зерен в сплаве, но оказывает благоприятное воздействие и на другие дефекты кристаллической структуры, например, на антифазные границы в упорядоченной структуре '-фазы, возникающие при перерезании частиц упрочняющей '-фазы дислокациями в процессе ползучести, и, следовательно, сплав должен быть сбалансирован как по составу микролегиующих элементов, так и по характеру их взаимодействия с остальными компонентами сплава. Количество и состав микролегирующих добавок зависит от состава и количества других компонентов, входящих в состав сплава, и определяется, например, расчетным путем. Количество вводимых в сплав углерода и карбидообразующих компонентов также должно быть сбалансировано, так как углерод является обязательным карбидообразующим элементом, а на карбидах возможно зарождение трещин, приводящих к разрушению сплавов.
При анализе системы легирования как известных, так и вновь разрабатываемых жаропрочных сплавов с поликристаллической структурой с целью последующей корректировки их химического состава возможно использование различных подходов. В частности, можно оценивать склонность сплава к образованию охрупчивающих ТПУ-фаз. Для этого обычно оценивают сбалансированность химического состава сплава по методу РНАСОМР.
Карбидообразующими элементами в заявляемом составе жаропрочного никелевого сплава с поликристаллической структурой являются: углерод, хром, вольфрам, ниобий, титан и молибден. Микролегирующие элементы: бор, лантан, иттрий и церий. Жаропрочный никелевый сплав с поликристаллической структурой получают смешиванием компонентов состава сплава в указанных в формуле изобретения количествах в соответствии с известными методами изготовления никелевых жаропрочных сплавов.
Состав заявляемого жаропрочного никелевого сплава с поликристаллической структурой, с заявляемым составом компонентов и в указанных количественных диапазонах их содержания сбалансирован в соответствии с изложенным выше. Ведение в состав сплава хрома на нижнем пределе (3%) обеспечивает минимальный приемлемый уровень жаростойкости сплава, работающего в условиях температуры до 1000°С, а увеличение содержание хрома выше 7% приводит к неконтролируемому образованию -фазы, особенно при длительной наработке, что вызывает его преждевременное разрушение. Введение в состав сплава кобальта в заявляемых количествах 4,0-8,5% улучшает пластичность, литейные свойства сплава, а также его стойкость в условиях воздействия солевого тумана. Если кобальта менее 4% - данный эффект практически отсутствует, если кобальта более 8,5% - улучшения свойств не происходит. Увеличение содержания вольфрама до 11,5-15,0% по сравнению с прототипом приводит к повышению характеристик жаропрочности и структурной стабильности сплава. При уменьшении количества вольфрама менее 11,5% - данный эффект заметно снижается, при содержании в сплаве вольфрама в количестве более 15% - происходит образование фаз - вольфрам и карбидов типа Ni3W 3C, т.е. введение дополнительного к верхнему пределу количества вольфрама не только не упрочняет сплав, но и приводит к его разрушению. Алюминий и титан - это основные '-образующие элементы, количество которых, с одной стороны, обеспечивает образование необходимого содержания упрочняющей '-фазы, а с другой стороны, ограничивает объем избыточной эвтектики ( '+ ). Ниобий и молибден - обеспечивают повышение долговечности материала в области температур до 1000°С. Углерод вводится в состав сплава для образования второй упрочняющей фазы жаропрочных сплавов - карбидов. Суммарное содержание в заявляемом сплаве углерода и карбидообразующих элементов обеспечивает отсутствие охрупчивающих ТПУ-фаз.
Для апробации сплава были выплавлены три состава сплава (два заявляемых и один сплав прототип - ЖС-6У), содержащие компоненты (в мас.%), приведенные в Таблице 1. Предлагаемый сплав выплавляли по стандартной технологии с использованием компонентов заявляемого состава сплава в указанных в формуле изобретения диапазонах.
Таблица 1. | |||||||||||||
№ плавки | Химический состав, в мас.% | ||||||||||||
Cr | Со | С | W | Al | Nb | Ni | Ti | Мо | В | La | Y | Се | |
1 | 5,90 | 5,34 | 0,14 | 12,9 | 5,40 | 0,7 | Осн | 2,9 | 0,8 | 0,02 | 0,02 | 0,02 | 0,02 |
2 | 5,62 | 5,11 | 0,13 | 12,7 | 5,46 | 0,6 | Осн | 2,6 | 1,0 | 0,02 | 0,02 | 0,02 | 0,02 |
ЖС-6У | 8,60 | 9,90 | 0,18 | 10,20 | 5,60 | 0,9 | Осн | 2,4 | 1,3 | 0,035 | Zr-0,04 | 0,01 | 0,025 |
После чего литые образцы без последующей механической обработка испытывались. Результаты испытаний приведены в Таблице 2.
Таблица 2. | ||||
Номер плавки | 100-часовая прочность (МПА) при Т-1012°С | 100-часовая прочность (МПА) при Т=900°С | 100-часовая прочность (МПА) при Т=850°С | 100-часовая прочность (МПА) при Т-800°С |
1 | 160 | 386 | 546 | 682 |
2 | 158 | 372 | 532 | 675 |
ЖС-6У | 170 | 352 | 455 | 562 |
Приведенные результаты испытаний показывают, что по сравнению с прототипом заявляемый сплав обеспечивает достижение заявляемого технического результата, а именно - повышение прочностных характеристик никелевых жаропрочных поликристаллических сплавов на основе никеля, таких как предел сточасовой прочности и стабильность сплава при температурах не выше 1000°С.