RU2525883C1 - Жаропрочный сплав на основе никеля для литья рабочих лопаток газотурбинных установок - Google Patents
Жаропрочный сплав на основе никеля для литья рабочих лопаток газотурбинных установок Download PDFInfo
- Publication number
- RU2525883C1 RU2525883C1 RU2013140805/02A RU2013140805A RU2525883C1 RU 2525883 C1 RU2525883 C1 RU 2525883C1 RU 2013140805/02 A RU2013140805/02 A RU 2013140805/02A RU 2013140805 A RU2013140805 A RU 2013140805A RU 2525883 C1 RU2525883 C1 RU 2525883C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- alloy
- titanium
- nickel
- yttrium
- gas turbine
- Prior art date
Links
Landscapes
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
Abstract
Изобретение относится к металлургии, в частности к литейным жаропрочным коррозионностойким сплавам на основе никеля, и может быть использовано для изготовления литьем деталей горячего тракта газотурбинных установок. Жаропрочный сплав на основе никеля для литья рабочих лопаток газотурбинных установок содержит, мас.%: углерод 0,001-0,12, хром 8,8-9,2, кобальт 4,8-5,2, вольфрам 6,1-6,5, молибден 0,15-0,3, алюминий 3,7-3,9, тантал 3,9-4,1, рений 3,4-3,6, бор 0,0003-0,01, ниобий 0,10-0,20, церий 0,002-0,012, иттрий 0,002-0,012, титан 2,9-3,1, гафний 0,15-0,25, марганец 0,002-0,12 и никель остальное. Сплав содержит церий и иттрий в равных количествах, а отношение содержания титана к содержанию алюминия составляет > 0,75. Сплав характеризуется повышенной длительной прочностью в сочетании с высоким сопротивлением окислению. 2 табл.
Description
Изобретение относится к металлургии, в частности к литейным жаропрочным коррозионностойким сплавам на основе никеля с хромом и кобальтом, и может быть использовано для изготовления литьем деталей горячего тракта газотурбинных установок (ГТУ), например рабочих лопаток газовой турбины с монокристаллической, направленной и равноосной структурами, работающих в агрессивных средах при температурах 800-1000°C.
Высокие прочностные характеристики таких сплавов достигаются за счет значительного количества (50-70 об.%) упрочняющей γ'-фазы (Ni3Al), легированной ниобием, титаном, танталом и т.д., а также упрочнением твердого раствора (γ-фазы) кобальтом, хромом, молибденом, вольфрамом и рением. Повышенную коррозионную стойкость обеспечивают высоким содержанием хрома (как правило, 6-10 мас.%) при отношении содержания титана к алюминию Ti/Al≥0,3, а также введением рения и редкоземельных элементов. Сопротивление окислению при повышенных температурах обеспечивают повышенным содержанием алюминия и тантала, снижением содержания хрома и, в первую очередь, молибдена и также введением редкоземельных элементов.
Структурная стабильность на ресурс (исключение образования охрупчивающих фаз) и ограничение образования при кристаллизации неравновесных фаз, на месте которых после их распада при термообработке будут зарождаться поры и трещины, могут быть оценены по известной методике ФАКОМП.
Характеристики длительной прочности, критические точки сплава и другие его физико-механические свойства также могут быть оценены по известным методикам.
(H. Harada и др., Сб. Superalloys, 1988; p.p.733-742; Сб. Superalloys, 2000; p.p.729-736.)
Известен жаропрочный сплав на основе никеля для литья лопаток газовой турбины с монокристаллической структурой, содержащий кобальт, хром, молибден, вольфрам, тантал, алюминий, титан, гафний, рений, при следующем соотношении компонентов, мас.%: кобальт 9,3-10,0; хром 6,4-6,8; молибден 0,5-0,7; вольфрам 6,2-6,6; тантал 6,3-6,7; алюминий 5,45-5,75; титан 0,8-1,2; гафний 0,07-0,12, рений 2,8-3,2; никель - остальное. Максимальное содержание углерода в известном сплаве ограничено 60 ppm, бора - 30 ppm, циркония - 75 ppm, серы - 20 ppm, кремния - 400 ppm.
(US 4643782, C22C 19/05, опубликовано 17.02.1987.)
Литые рабочие лопатки газовой турбины, изготовленные из известного сплава, имеют повышенный объем неравновесной эвтектической γ'-фазы (6-8%), что при литье может привести к значительной пористости отливки, а также к снижению коррозионной стойкости и окислению лопаток в условиях воздействия агрессивной среды из-за неоптимальных соотношений легирующих элементов.
Наиболее близким является жаропрочный сплав на основе никеля для изготовления методом направленной кристаллизацией рабочих лопаток газовых турбин с направленной и монокристаллической структурами. Известный сплав включает углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, тантал, рений, бор, ниобий, церий, иттрий, лантан, неодим и никель при следующем соотношении компонентов, 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; 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 0,005-0,10; иттрий 0,0001-0,002; лантан 0,001-0,05; неодим 0,0005-0,01; никель остальное.
(RU 2148099, C22C 19/05, опубликовано 27.04.2000.)
Однако данный известный сплав при высоких показателях по жаропрочности имеет низкую коррозионную стойкость и пониженную стойкость к окислению из-за значительного содержания молибдена.
Целью изобретения и его техническим результатом является достижение: повышенной длительной прочности жаропрочного сплава для литых лопаток газовых турбин в сочетании с высоким сопротивлением окислению и коррозионным воздействиям; повышенной структурной стабильности на ресурс; улучшения технологических характеристик сплава. Кроме того, предлагаемый сплав обеспечивает получение рабочих лопаток газовых турбин с монокристаллической, направленной или равноосной структурами.
Технический результат достигается тем, что жаропрочный сплав на основе никеля для литья рабочих лопаток газотурбинных установок содержит углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, тантал, рений, бор, ниобий, церий, иттрий, титан, гафний, марганец и никель, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод | 0,001-0,12 |
хром | 8,8-9,2 |
кобальт | 4,8-5,2 |
вольфрам | 6,1-6,5 |
молибден | 0,15-0,3 |
алюминий | 3,7-3,9 |
тантал | 3,9-4,1 |
рений | 3,4-3,6 |
бор | 0,0003-0,01 |
ниобий | 0,10-0,20 |
церий | 0,002-0,012 |
иттрий | 0,002-0,012 |
титан | 2,9-3,1 |
гафний | 0,15-0,25 |
марганец | 0,002-0,12 |
никель | остальное |
при этом церий и иттрий содержатся в равных количествах, при суммарном содержании алюминия и титана 6,6-7,0 мас.% и отношении содержания титана к содержанию алюминия >0,75.
В сплаве по изобретению количество упрочняющей γ'-фазы (Ni3Al) составляет 56,7-58,9 ат.%, что обеспечивает высокий и стабильный уровень служебных характеристик, например, жаропрочность: 343-348 МПа за 103 часов при 900°C.
Оптимальное содержание вольфрама, рения, тантала дает повышенную жаропрочность литого сплава, однако дальнейшее увеличение их суммарного содержания вызывает значительный рост температуры растворения γ'-фазы, что можно компенсировать увеличением содержания кобальта, но это удорожает сплав.
Гафний в сочетании с ниобием в заявленных концентрациях, обеспечивают достаточную пластичность литого сплава на длительный ресурс и стабилизацию карбидов.
При этом заявленные соотношения компонентов в сплаве исключают в процессе наработки появление охрупчивающих фаз и ограничивают выделение неравновесной эвтектической γ'-фазы, что обеспечивает пониженный объем газоусадочной пористости и повышает устойчивость изделия к образованию трещин. Высокое отношение содержания титана к содержанию алюминию >0,75 в сочетании с высоким содержанием хрома и рения, присутствием редкоземельных металлов и марганца способствует повышению коррозионной стойкости предлагаемого сплава.
Предлагаемый сплав по изобретению за счет изменения содержания углерода и бора позволяет получать лопатки с монокристаллической, направленной или равноосной структурами. При этом монокристаллическая структура достигается при содержании углерода и бора в сплаве преимущественно в диапазонах 0,001-0,02 и 0,0003-0,002 соответственно, а направленная и равноосная структуры - при содержании углерода и бора в сплаве преимущественно в диапазонах 0,04-0,12 и 0,004-0,01 соответственно.
В сравнении со сплавом с монокристаллической структурой сплав с направленной и равноосной структурами будет иметь примерно равную структурную стабильность, но пониженные характеристики кратковременной и длительной прочности. Однако преимуществом сплавов с направленной и равноосной структурами является более низкая стоимость литых заготовок, в основном за счет повышенного выхода годного.
Для получения литых рабочих лопаток газовой турбины из сплава по изобретению используют известные способы и устройства для литья турбинных лопаток из жаропрочных сплавов с монокристаллической, направленной и равноосной структурами. Термообработка литых заготовок включает гомогенизирующий отжиг при температуре около 1260°C в течение 3-10 часов.
Достижение поставленного технического результата можно проиллюстрировать данными из таблиц 1 и 2.
Из представленных данных видно, что сплав по изобретению с монокристаллической структурой (МК) при примерно равных значениях по жаропрочности при температурах 800-950°C значительно (примерно на порядок) превосходит известный сплав по коррозионной стойкости. Сплавы с направленной (НК) и равноосной (PC) имеют ожидаемые более низкие служебные характеристики, однако достаточные для применения таких сплавов для изготовления литьем рабочих лопаток первых ступеней газовых турбин.
Достигаемое повышенное сопротивление агрессивным воздействиям среды предлагаемого сплава (по сравнению с известным аналогом) позволяют увеличить эксплуатационную надежность и срок службы изделий и, как следствие, приводит к снижению годовой потребности в металле. Причем стоимость шихтовых материалов сплава по изобретению на ≈15% ниже, чем у известного.
Узкие интервалы легирования позволяют уменьшить разброс значений служебных характеристик и обеспечивают гарантированные значения прочности и пластичности, закладываемые конструкторами в расчет изделия.
Таблица 1 | ||||
Содержание компонентов, мас.% | Известный сплав | Сплав по изобретению | ||
CMSX-4 по US 4643782 | по RU 2148099 | МК структура | PC и НК структуры | |
углерод | менее 60 ppm | 0,08 | 0,01 | 0,08 |
хром | 6,5 | 5,5 | 9,0 | 9,0 |
кобальт | 9,6 | 9,0 | 5,0 | 5,0 |
вольфрам | 6,4 | 7,0 | 6,3 | 6,3 |
молибден | 0,6 | 1,1 | 0,25 | 0,25 |
алюминий | 5,6 | 5,8 | 3,8 | 3,8 |
тантал | 6,5 | 4,9 | 4,0 | 4,0 |
рений | 3,0 | 4,2 | 3,5 | 3,5 |
ниобий | - | 0,8 | 0,15 | 0,15 |
титан | 1,0 | - | 3,0 | 3,0 |
церий | - | 0,010 | 0,006 | 0,006 |
иттрий | - | 0,001 | 0,006 | 0,006 |
гафний | 0,10 | - | 0,20 | 0,20 |
марганец | - | - | 0,05 | 0,05 |
кремний | менее 400 ppm | - | - | - |
бор | менее 40 ppm | 0,01 | 0,001 | 0,008 |
Лантан, неодим | - | по 0,001 | - | - |
никель | остальное | остальное | остальное | остальное |
Таблица 2 | |||||
Характеристики сплава | Известный сплав | Сплав по изобретению | |||
CMSX-4 по US 5270123 | по RU 2148099 | МК структура | PC структура | НК структура | |
1. Упрочняющая γ'-фаза 1.1. Объем γ'-фазы, ат.% | 69,7 | 67,1 | 58,3 | 58,4 | 58,4 |
1.2. Суммарное содержание титана и алюминия, мас.% | 6,6 | 5,75 | 6,9 | 6,9 | 6,9 |
1.3. Сольвус Tγ' осредненный, °C | 1290 | 1271 | 1255 | 1253 | 1253 |
1.4. Степень залегированности γ'-фазы | 1,099 | 1,058 | 1,057 | 1,018 | 1,018 |
1.5. Отношение содержания Ti/Al | 0,18 | - | 0,79 | 0,79 | 0,79 |
1.6. Mismach при 900°C | -0,001 | -0,002 | -0,003 | -0,002 | -0,002 |
1.7. Количество неравновесной γ'-фазы, межось-литой, % | 6-7 | 1-2 | 2-3 | 1-2 | 1-2 |
2. Энергия дефектов упаковки в γ-фазе | 1,353 | 2,157 | 0,870 | 1,186 | 1,186 |
3. Плотность т/м3 | 8,72 | 8,78 | 8,70 | 8,68 | 8,68 |
4. Структурная стабильность ФАКОМП, 4.1. Mdy крит≤0,928 осредненный с ТО | 0,913 | 0,898 | 0,926 | 0,921 | 0,921 |
4.2. литой без ТО: межось | 0,907 | 0,911 | 0,888 | 0,883 | 0,883 |
5. Длительная прочность | |||||
1) |
- | - | - | 611 | - |
2) |
497 | 510 | 484 | 341 | 437 |
3) |
346 | 353 | 345 | 244 | 311 |
4) |
184 | 184 | 182 | - | 163 |
6. Сравнительная коррозионная стойкость | |||||
lg Metall loss (JN792=-0,26) | 0,982 | 0,569 | -0,727 | -0,776 | -0,776 |
lg corros Rate (JN792=0,1) | 0,186 | 0,402 | -0,255 | -0,235 | -0,235 |
7. Относительная стоимость литой заготовки рабочей лопатки | - | - | 1,0 | 0,45 | 0,75 |
Claims (1)
- Жаропрочный сплав на основе никеля для литья рабочих лопаток газотурбинных установок, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, тантал, рений, бор, ниобий, церий, иттрий и никель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит титан, гафний и марганец при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод 0,001-0,12 хром 8,8-9,2 кобальт 4,8-5,2 вольфрам 6,1-6,5 молибден 0,15-0,3 алюминий 3,7-3,9 тантал 3,9-4,1 рений 3,4-3,6 бор 0,0003-0,01 ниобий 0,10-0,20 церий 0,002-0,012 иттрий 0,002-0,012 титан 2,9-3,1 гафний 0,15-0,25 марганец 0,002-0,12 никель остальное
при этом он содержит церий и иттрий в равных количествах, а отношение содержания титана к содержанию алюминия составляет > 0,75.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013140805/02A RU2525883C1 (ru) | 2013-09-05 | 2013-09-05 | Жаропрочный сплав на основе никеля для литья рабочих лопаток газотурбинных установок |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013140805/02A RU2525883C1 (ru) | 2013-09-05 | 2013-09-05 | Жаропрочный сплав на основе никеля для литья рабочих лопаток газотурбинных установок |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2525883C1 true RU2525883C1 (ru) | 2014-08-20 |
Family
ID=51384656
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013140805/02A RU2525883C1 (ru) | 2013-09-05 | 2013-09-05 | Жаропрочный сплав на основе никеля для литья рабочих лопаток газотурбинных установок |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2525883C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2626118C2 (ru) * | 2015-09-17 | 2017-07-21 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн" | Литейный жаропрочный сплав на основе никеля |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2081930C1 (ru) * | 1994-06-15 | 1997-06-20 | Акционерное общество "Пермские моторы" | Литейный жаропрочный сплав на основе никеля |
RU2148099C1 (ru) * | 1999-01-18 | 2000-04-27 | Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов | Жаропрочный сплав на основе никеля |
RU2410457C1 (ru) * | 2009-10-23 | 2011-01-27 | Открытое акционерное общество "Всероссийский институт легких сплавов" (ОАО "ВИЛС") | Жаропрочный порошковый сплав на основе никеля |
EP2330225A1 (en) * | 2008-10-02 | 2011-06-08 | Sumitomo Metal Industries, Ltd. | Ni BASED HEAT-RESISTANT ALLOY |
-
2013
- 2013-09-05 RU RU2013140805/02A patent/RU2525883C1/ru active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2081930C1 (ru) * | 1994-06-15 | 1997-06-20 | Акционерное общество "Пермские моторы" | Литейный жаропрочный сплав на основе никеля |
RU2148099C1 (ru) * | 1999-01-18 | 2000-04-27 | Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов | Жаропрочный сплав на основе никеля |
EP2330225A1 (en) * | 2008-10-02 | 2011-06-08 | Sumitomo Metal Industries, Ltd. | Ni BASED HEAT-RESISTANT ALLOY |
RU2410457C1 (ru) * | 2009-10-23 | 2011-01-27 | Открытое акционерное общество "Всероссийский институт легких сплавов" (ОАО "ВИЛС") | Жаропрочный порошковый сплав на основе никеля |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2626118C2 (ru) * | 2015-09-17 | 2017-07-21 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн" | Литейный жаропрочный сплав на основе никеля |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6393993B2 (ja) | 高温強度に優れた熱間鍛造可能なNi基超合金 | |
EP2612936B1 (en) | Rhenium-free single crystal superalloy for turbine blades and vane applications | |
US20170342527A1 (en) | Cobalt-based super alloy | |
WO2014024734A1 (ja) | Ni基単結晶超合金 | |
JP5995157B2 (ja) | マルテンサイト系析出強化型ステンレス鋼の製造方法 | |
US6419765B1 (en) | Niobium-silicide based composites resistant to low temperature pesting | |
JP4115369B2 (ja) | Ni基超合金 | |
JPWO2010119709A1 (ja) | Ni基単結晶超合金及びこれを用いたタービン翼 | |
RU2539643C1 (ru) | Жаропрочный сплав на основе никеля для изготовления лопаток газотурбинных установок и способ его термической обработки | |
JP2013208628A (ja) | Ni基合金溶接材料並びにこれを用いた溶接ワイヤ、溶接棒及び溶接用粉末 | |
JP2018131667A (ja) | Ni基合金、ガスタービン材およびクリープ特性に優れたNi基合金の製造方法 | |
JP2014070230A (ja) | Ni基超耐熱合金の製造方法 | |
JP2017020112A (ja) | 二相のNi−Cr−Mo合金の製造方法 | |
JP3944582B2 (ja) | Ni基超合金 | |
JP6148843B2 (ja) | ニッケル基合金からなる大型鋳造部材およびその製造方法 | |
EP2876176A1 (en) | Ni-based casting superalloy and cast article therefrom | |
US20160281194A1 (en) | Gamma/gamma' hardened cobalt-based superalloy, powder and component | |
JP6970438B2 (ja) | Ni基超合金 | |
RU2525883C1 (ru) | Жаропрочный сплав на основе никеля для литья рабочих лопаток газотурбинных установок | |
RU2524515C1 (ru) | Жаропрочный сплав на основе никеля для литья рабочих лопаток газотурбинных установок | |
RU2678353C1 (ru) | Жаропрочный коррозионно-стойкий сплав на основе никеля для литья крупногабаритных рабочих и сопловых лопаток газотурбинных установок | |
RU2519075C1 (ru) | Жаропрочный сплав на основе никеля для литья деталей горячего тракта газотурбинных установок | |
US10240223B2 (en) | Ni-based alloy having excellent high-temperature creep characteristics, and gas turbine member using the same | |
RU2678352C1 (ru) | Жаропрочный сплав на основе никеля для литья рабочих лопаток газотурбинных установок | |
RU2542194C1 (ru) | Жаропрочный сплав на основе никеля для литья рабочих лопаток газотурбинных установок |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE Effective date: 20160603 |