RU2318030C1 - Жаропрочный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из этого сплава - Google Patents
Жаропрочный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из этого сплава Download PDFInfo
- Publication number
- RU2318030C1 RU2318030C1 RU2006140213/02A RU2006140213A RU2318030C1 RU 2318030 C1 RU2318030 C1 RU 2318030C1 RU 2006140213/02 A RU2006140213/02 A RU 2006140213/02A RU 2006140213 A RU2006140213 A RU 2006140213A RU 2318030 C1 RU2318030 C1 RU 2318030C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- alloy
- heat
- nickel
- casting
- resistant
- Prior art date
Links
Landscapes
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам литейных жаропрочных сплавов на основе никеля, предназначенным для производства методом направленной кристаллизации деталей высокотемпературных газовых турбин, преимущественно монокристаллических рабочих и сопловых лопаток, длительно работающих при температурах, превышающих 1000°С. Сплав содержит, мас.%: углерод - 0,001-0,04; хром - 4,0-6,0; кобальт - 8,0-10,0; вольфрам - 6,5-8,0; молибден - 0,8-2,2; титан - 0,1-1,0; алюминий - 5,4-6,2; тантал - 4,0-7,0; рений - 2,7-3,7; ниобий - 0,1-1,0; бор - 0,001-0,02; церий - 0,015-0,05; иттрий - 0,001-0,002; кислород - 0,0003-0,001; азот - 0,0003-0,001; никель - остальное. Технический результат - получение жаропрочного сплава с высоким уровнем свойств для монокристаллического литья деталей ГТД методом направленной кристаллизации. Сплав технологичен при литье, не склонен к образованию поверхностных дефектов типа «струйной ликвации». Использование сплава позволит повысить ресурс и надежность изделий, выполненных из него. 2 н.з. ф-лы, 2 табл.
Description
Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным жаропрочным сплавам на основе никеля, предназначенным для производства методом направленной кристаллизации деталей высокотемпературных газовых турбин, преимущественно монокристаллических рабочих, сопловых лопаток и других элементов горячего тракта турбины, длительно работающих при температурах, превышающих 1000°С.
Известен и нашел применение в качестве материала для лопаток газовых турбин жаропрочный сплав для литья методом направленной кристаллизации лопаток с направленной и монокристаллической структурой состава, мас.%
Углерод | 0,02-0,5 |
Хром | 2,0-10 |
Кобальт | 5,0-15 |
Вольфрам | 2,0-10 |
Молибден | 0,5-5,0 |
Алюминий | 4,5-8,0 |
Тантал | 1,0-9,0 |
Рений | 1,0-5,0 |
Ниобий | 1,1-5,0 |
Ванадий | 0,1-3,0 |
Бор | 0,01-0,3 |
Ванадий | 0,1-3,0 |
Церий | 0,0005-0,1 |
Лантан | 0,001-0,2 |
Неодим | 0,00005-0,05 |
Никель | остальное |
/Авторское свидетельство СССР №1157865/.
По уровню характеристик жаропрочности он превосходит известные сплавы для лопаток с направленной структурой как отечественные ЖС26, ЖС30, так и зарубежные МаrМ200, МаrМ246 и другие сплавы. Высокий уровень прочностных характеристик сплава определяется его легированием рением. Однако сплав не является фазовостабильным. При содержании в сплаве рения на уровне 4-4,3% и вольфрама на уровне 8,5-9% в сплаве при высоких температурах происходит образование пластинчатых выделений топологически плотно упакованных фаз. Топологически плотно упакованные, содержащие рений ТПУ-фазы, охрупчивают и разупрочняют сплав; результатом фазовых превращений является высокая дисперсия характеристик длительной прочности сплава. Выделения такого типа в сплаве могут образовываться так же после термической обработки и технологических нагревов при изготовлении деталей.
Известен жаропрочный никелевый сплав следующего химического состава, в мас.%:
Хром | 6,4 | 6,8 |
Кобальт | 9,3 | 10,0 |
Вольфрам | 6,2 | 6,6 |
Молибден | 0,5 | 0,7 |
Титан | 0,8 | 1,2 |
Алюминий | 5,45 | 5,75 |
Тантал | 6,3 | 6,7 |
Рений | 2,8 | 3,2 |
Гафний | 0,07 | 0,12 |
Никель | основа |
/Патент США №4,643,782/
Сплав предназначен для литья лопаток с монокристаллической структурой, имеющих кристаллографическую ориентацию [001]; в этой ориентации сплав имеет высокий уровень жаропрочности. Сплав нашел широкое применение для литья рабочих и сопловых охлаждаемых монокристаллических лопаток современных ГТД. Однако отмечается его недостаточно высокая технологичность при монокристаллическом литье. Кроме этого при длительном воздействии температур и напряжений в сплаве происходит образование ТПУ-фаз, приводящих к потере пластичности и разупрочнению сплава, что свидетельствует о недостаточной сбалансированности химического его состава.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является сплав следующего химического состава, в мас.%:
Углерод | 0,05-0,12 |
Хром | 5,0-6,0 |
Кобальт | 8,0-10,0 |
Вольфрам | 6,5-7,5 |
Молибден | 0,8-1,5 |
Ниобий | 0,6-1,0 |
Алюминий | 5,5-6,0 |
Тантал | 4,4-5,4 |
Рений | 3,8-4,6 |
Бор | 0,001-0,02 |
Ниобий | 0,6-1,0 |
Церий | 0,005-0,1 |
Иттрий | 0,0001-0,002 |
Лантан | 0,001-0,05 |
Недоим | 0,0005-0,01 |
Никель | Остальное |
При соблюдении условия:
9,5≤(1/2 W+1/2 Re+1/2 Ta+Mo+Nb)≤10,5
/Патент РФ №2148099/.
Сплав предназначается для литья лопаток с направленной и монокристаллическими структурами ГТД, длительно работающими при высоких температурах. Сплав обладает высокой фазовой стабильностью при длительном воздействии температур и напряжений, однако он имеет недостаточно высокий уровень жаропрочности при температурах, превышающих 1000°С.
Технической задачей предлагаемого изобретения являлась разработка жаропрочного сплава на основе никеля для монокристаллического литья отливок деталей ГТД с более высоким уровнем жаропрочности.
Для достижения технической задачи предложен жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, тантал, рений, ниобий, бор, церий, иттрий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит титан, кислород и азот при следующем соотношении компонентов, в мас.%:
Углерод | 0,001-0,04 |
Хром | 4,0-6,0 |
Кобальт | 8,0-10,0 |
Вольфрам | 6,5-8,0 |
Молибден | 0,8-2,2 |
Титан | 0,1-1,0 |
Алюминий | 5,4-6,2 |
Тантал | 4,0-7,0 |
Рений | 2,7-3,7 |
Ниобий | 0,1-1,0 |
Бор | 0,001-0,02 |
Церий | 0,015-0,05 |
Иттрий | 0,001-0,002 |
Кислород | 0,0003-0,001 |
Азот | 0,0003-0,001 |
Никель | остальное |
и изделие, выполненное из него.
По сравнению со сплавом-прототипом в предлагаемом сплаве уменьшено содержание углерода. Ограничение содержания углерода в сплаве повышает температуру полного растворения упрочняющей γ'-фазы и обеспечивает растворение первичной эвтектической фазы при термической обработке, увеличивая тем самым количество γ'-упрочняющей фазы после охлаждения от температуры гомогенизации.
Кроме этого установлено, что при содержании углерода до 0,04% выделяющиеся карбиды имеют округлую форму, располагаются главным образом по субграницам, закрепляя их и не позволяя мигрировать им в процессе термической обработки, тем самым уменьшая склонность к образованию рекристаллизованных зерен по сравнению с безуглеродистыми монокристаллическими сплавами.
Легирование сплава титаном повышает сопротивление сплава высокотемпературной газовой коррозии. При суммарном содержании титана и ниобия 0,6-1,1% обеспечивается оптимальное содержание первичной эвтектической γ'-γ фазы (3-5%), которое растворяется при термической обработке, увеличивает количество упрочняющей γ'-γ фазы, тем самым способствуя упрочнению сплава.
Наиболее эффективно упрочняющим жаропрочные сплавы элементом является рений. Основная трудность, возникающая при разработке сплавов, содержащих рений, связана с тем, что в процессе высокотемпературных нагревов в сплавах может происходить образование фаз, относящихся к разряду топологически плотноупакованных (ТПУ-фазы), которые образуются, как правило, в осях дендритов и представляют собой пластины, выделяющиеся параллельно плоскостям октаэдра {111}.
Структурная стабильность ренийсодержащих сплавов относительно образования охрупчивающих топологически плотноупакованных фаз (ТПУ) определяется главным образом соотношением содержания в сплаве Re и W.
Содержание хрома в сплаве определяет сопротивление сплава коррозии и в предлагаемом сплаве находится в пределах 4-6%. Содержание молибдена находится в пределах 0,8-2,2%. Молибден является упрочнителем твердого раствора, однако, наиболее существенный его вклад проявляется в изменении параметра γ-твердого раствора и, как следствие, в морфологии упрочняющей вторичной γ'-фазы, делая ее кубической и тем самым обеспечивая высокое сопротивление ползучести жаропрочных сплавов.
Присутствующий в сплавах кислород и азот вступает в реакцию с основными легирующими элементами, образуя нитриды и оксиды, которые являются центрами зарождения паразитных кристаллов и снижают выход годных по монокристальности отливок.
Предлагаемые содержания в сплаве азота и кислорода в пределах 0,0003-0,001 мас.% каждого исключают образование центров зарождения паразитных кристаллов и обеспечивают повышенную технологичность сплава при отливке монокристаллических деталей ГТД.
Пример осуществления
В вакуумно-индукционной печи ВИАМ-2002 было выплавлено пять композиций сплавов предлагаемого состава и один сплав, взятый за прототип (таблица №1). Масса металла каждой плавки составляла 10 кг. Монокристаллические заготовки ориентации [001] с отклонением, не превышающим 5°, диаметром 16 мм и длиной 180 мм, получали методом направленной кристаллизации на установке УВНК-9 с жидкометаллическим охлаждением.
Монокристаллические заготовки образцов подвергались высокотемпературной гомогенизации при температуре выше температуры растворения вторичной упрочняющей γ'-фазы и ниже температуры солидуса сплавов. Нагрев до окончательной температуры гомогенизации проводился с промежуточными ступенчатыми изотермическими выдержками, что позволило избежать появление структуры локальных оплавлений. Охлаждение от температуры гомогенизации проводили со скоростью ~100°С/мин. После охлаждения заготовки подвергались двухступенчатому старению.
Оценка уровня жаропрочности предлагаемых составов проводилась при температурах испытаний 975 и 1100°С.
Результаты испытаний представлены в таблице 2. Полученные результаты свидетельствуют, что предлагаемый сплав обеспечивает более высокий уровень жаропрочности, чем сплав-прототип. При близких уровнях долговечности разрушение образцов предлагаемого сплава происходило при более высоких напряжениях. Металлографический анализ структуры разрушенных при температуре испытания 1100°С и напряжении 100 МПа образцов исследованных сплавов не выявил образования при испытании пластинчатых выделений ТПУ-фаз, что свидетельствует о высокой фазовой и структурной стабильности предлагаемого сплава.
Из совокупности полученных результатов следует, что предлагаемый сплав обеспечивает уровень жаропрочности, превосходящий жаропрочность сплава-прототипа. Сплав технологичен при монокристальном литье и не склонен к образованию поверхностных дефектов типа «струйной ликвации».
Таким образом, применение предлагаемого сплава позволит повысить ресурс и надежность изделий, в частности рабочих, сопловых лопаток и других элементов горячего тракта турбины, длительно работающих при температурах, превышающих 1000°С.
ТАБЛИЦА №1 | |||||||||||||||||
№ п/п | Состав | С | Cr | Co | W | Mo | Ti | Al | Та | Re | Nb | В | Се | Y | O2 | N2 | Ni |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 |
1 | Заявляемый сплав | 0,001 | 5,84 | 8,0 | 7,30 | 1,12 | 0,8 | 5,40 | 7,0 | 3,05 | 0,3 | 0,005 | 0,02 | 0,002 | 0,0005 | 0,0008 | Осн. |
2 | 0,005 | 6,0 | 8,98 | 6,94 | 1,09 | 0,5 | 5,71 | 5,29 | 3,19 | 0,1 | 0,008 | 0,05 | 0,0015 | 0,0003 | 0,0008 | Осн. | |
3 | 0,02 | 5,2 | 9,3 | 8,0 | 1,5 | 0,5 | 5,7 | 4,0 | 2,70 | 0,55 | 0,02 | 0,015 | 0,0015 | 0,0008 | 0,001 | Осн. | |
4 | 0,01 | 4,3 | 10,0 | 7,0 | 0,8 | 0,1 | 6,2 | 5,5 | 3,7 | 1,0 | 0,001 | 0,02 | 0,0015 | 0,001 | 0,0008 | Осн. | |
5 | 0,04 | 4 | 9 | 6,5 | 2,2 | 1,0 | 5,7 | 5,5 | 3,2 | 0,1 | 0,007 | 0,02 | 0,001 | 0,0006 | 0,0003 | Осн. | |
6 | Прототип | 0,09 | 5,5 | 9,0 | 7,2 | 1,3 | - | 5,8 | 5,1 | 4,2 | 0,75 | 0,013 | 0,07 | 0,002 | - | - | Осн. |
ТАБЛИЦА №2 | ||||
№ п/п | Состав | Время до разрушения при испытании на длительную прочность в час. | ||
Температура испытания 975°С, напряжение 360 МПа | Температура испытания 1100°С, напряжение 140 МПа | Температура испытания 1100°С, напряжение 100 МПа | ||
1 | Заявляемый сплав | 59 | 98 | 569 |
61 | 114,5 | 617,5 | ||
2 | 64 | 112 | 630 | |
133 | 695 | |||
3 | 58 | 109 | 540 | |
121 | 585 | |||
4 | 70 | 140 | 660 | |
132 | 680 | |||
5 | 59 | 98 | 514 | |
104 | 544 | |||
6 | Прототип | Температура испытания 975°С, напряжение 330 МПа | Температура испытания 1100°С, напряжение 120 МПа | Температура испытания 1100°С, напряжение 90 МПа |
50 | 95 | 508 | ||
55 | 110 | 498 |
Claims (2)
1. Жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, тантал, рений, ниобий, бор, церий, иттрий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит титан, кислород и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:
2. Изделие из жаропрочного сплава на основе никеля, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п.1.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006140213/02A RU2318030C1 (ru) | 2006-11-15 | 2006-11-15 | Жаропрочный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из этого сплава |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006140213/02A RU2318030C1 (ru) | 2006-11-15 | 2006-11-15 | Жаропрочный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из этого сплава |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2318030C1 true RU2318030C1 (ru) | 2008-02-27 |
Family
ID=39278954
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2006140213/02A RU2318030C1 (ru) | 2006-11-15 | 2006-11-15 | Жаропрочный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из этого сплава |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2318030C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2465359C1 (ru) * | 2011-09-15 | 2012-10-27 | Российская Федерация в лице Министерства промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Жаропрочный сплав на основе никеля для монокристаллического литья |
-
2006
- 2006-11-15 RU RU2006140213/02A patent/RU2318030C1/ru active
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2465359C1 (ru) * | 2011-09-15 | 2012-10-27 | Российская Федерация в лице Министерства промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Жаропрочный сплав на основе никеля для монокристаллического литья |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9945019B2 (en) | Nickel-based heat-resistant superalloy | |
RU2289637C2 (ru) | Сплав на основе никеля | |
EP2009123B1 (en) | Nickel-based heat-resistant alloy for gas turbine combustor | |
USRE40501E1 (en) | Nickel-base superalloys and articles formed therefrom | |
RU2433197C2 (ru) | Жаропрочный сплав на основе никеля, способ изготовления детали и деталь турбомашины | |
US8864919B2 (en) | Nickel based forged alloy, gas turbine member using said alloy and gas turbine using said member | |
EP1650319A1 (en) | Ni-Fe based super alloy, process of producing the same, and gas turbine | |
US20160201167A1 (en) | Nickel-Based Superalloys and Articles | |
RU2567759C2 (ru) | Суперсплав на основе никеля | |
US20120279351A1 (en) | Heat-resistant superalloy | |
US20110076181A1 (en) | Nickel-Based Superalloys and Articles | |
JPWO2019097663A1 (ja) | Ni基鍛造合金材およびそれを用いたタービン高温部材 | |
EP3650566B1 (en) | Nickel-based superalloy and articles | |
US20110076182A1 (en) | Nickel-Based Superalloys and Articles | |
CN112575229A (zh) | 一种长寿命高强抗热腐蚀镍基高温合金及其应用 | |
EP2381000B1 (en) | Ni-based single crystal superalloy | |
US8048368B2 (en) | High temperature and oxidation resistant material | |
RU2318030C1 (ru) | Жаропрочный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из этого сплава | |
US11268169B2 (en) | Ni-based superalloy cast article and Ni-based superalloy product using same | |
CN115110014B (zh) | 基于均匀化热处理与连接技术结合的糊状区固溶处理方法 | |
CN106636756B (zh) | 一种镍基高温合金和燃气涡轮发动机部件 | |
EP1715068B1 (en) | Nickel-based super-heat-resistant alloy and gas turbine component using same | |
CN106636755B (zh) | 一种镍基高温合金和燃气涡轮发动机部件 | |
RU2283361C1 (ru) | Жаропрочный сплав на основе кобальта и изделие, выполненное из этого сплава | |
RU2465359C1 (ru) | Жаропрочный сплав на основе никеля для монокристаллического литья |