RU2678353C1 - Жаропрочный коррозионно-стойкий сплав на основе никеля для литья крупногабаритных рабочих и сопловых лопаток газотурбинных установок - Google Patents

Жаропрочный коррозионно-стойкий сплав на основе никеля для литья крупногабаритных рабочих и сопловых лопаток газотурбинных установок Download PDF

Info

Publication number
RU2678353C1
RU2678353C1 RU2018118607A RU2018118607A RU2678353C1 RU 2678353 C1 RU2678353 C1 RU 2678353C1 RU 2018118607 A RU2018118607 A RU 2018118607A RU 2018118607 A RU2018118607 A RU 2018118607A RU 2678353 C1 RU2678353 C1 RU 2678353C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
content
titanium
aluminum
nickel
casting
Prior art date
Application number
RU2018118607A
Other languages
English (en)
Inventor
Владимир Платонович Лубенец
Эдуард Лейбович Кац
Владимир Николаевич Скоробогатых
Сергей Юрьевич Логашов
Андрей Федорович Смыков
Артур Иванович Берестевич
Владимир Сергеевич Стогов
Original Assignee
Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения", АО "НПО "ЦНИИТМАШ"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения", АО "НПО "ЦНИИТМАШ" filed Critical Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения", АО "НПО "ЦНИИТМАШ"
Priority to RU2018118607A priority Critical patent/RU2678353C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2678353C1 publication Critical patent/RU2678353C1/ru

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C19/00Alloys based on nickel or cobalt
    • C22C19/03Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
    • C22C19/05Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium
    • C22C19/051Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W
    • C22C19/055Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W with the maximum Cr content being at least 20% but less than 30%

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Изобретение относится к металлургии, в частности, к литейным жаропрочным коррозионно-стойким сплавам на основе никеля и может быть использовано для изготовления литьем с равноосной структурой крупногабаритных толстостенных рабочих и сопловых лопаток газотурбинных установок (ГТУ), работающих при температурах 600-900°С. Жаропрочный коррозионно-стойкий сплав на основе никеля для литья крупногабаритных рабочих и сопловых лопаток газотурбинных установок содержит, мас. %: углерод 0,008-0,02; хром 20,0-21,5; кобальт 3,5-4,5; вольфрам 5,6-6,3; молибден 0,15-0,4; алюминий 2,6-3,2; титан 3,8-4,4; ниобий 0,15-0,4; церий ≤0,02; иттрий ≤0,015; кремний ≤0,1; бор 0,092-0,15; марганец ≤0,1; железо ≤0,5; сера ≤0,008; фосфор ≤0,008; медь ≤0,05; азот ≤30 ррm кислород ≤20 ррm и никель – остальное. При этом суммарное содержание алюминия и титана составляет 6,3-7,2 мас. %, отношение содержания титана к содержанию алюминия ≥1,4, а отношение содержания бора к содержанию углерода 7-18,5. Сплав характеризуется низкой усадочной пористостью и повышенной коррозионной стойкостью в сочетании с высокими характеристиками по длительной прочности при рабочих температурах 600-900°С, пластичности, а также структурной стабильности на ресурс. 2 табл.

Description

Изобретение относится к металлургии, в частности, к литейным жаропрочным коррозионно-стойким сплавам на основе никеля с хромом и кобальтом, и может быть использовано для изготовления литьем с равноосной структурой крупногабаритных толстостенных рабочих и сопловых лопаток газотурбинных установок (ГТУ), работающих при температурах 600-900°С.
Известен жаропрочный сплав на основе никеля для литья рабочих или сопловых лопаток газовой турбины, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, титан, бор, тантал, цирконий, гафний, кремний, железо, медь, серу, азот, кислород и никель при следующих соотношениях компонентов, мас. %: углерод 0,04-0,12; хром 11,5-12,5; кобальт 11,5-12,5; вольфрам 3,3-3,7; молибден 1,7-2,1; алюминий 3,35-3,65; титан 4,85-5,15; бор 0,01-0,02; тантал 2,3-2,7; цирконий 0,0-20 ppm; гафний 0,0-0,05; кремний менее 0,05; железо 0,0-0,15; медь 0,0-0,10; сера 0,0-0,0012, азот 0,0-25 ppm; кислород 0,0-10 ppm и никель остальное.
(RU 2443792, С22С 19/05, опубликовано 27.02.2012).
Известный сплав за счет значительного объема упрочняющей γ'-фазы (≈56 ат. %) характеризуется повышенной жаропрочностью, однако содержит до 6% эвтектики, которая не участвует в упрочнении и приводит к повышению газо-усадочной пористости. Кроме того, известный сплав не обладает достаточной коррозионной стойкостью и в процессе наработки в нем прогнозируется выпадение ≈2% охрупчивающей σ-фазы.
Известно, что снижению газо-усадочной пористости способствует присутствие в жаропрочном сплаве бора в достаточно высоких концентрациях 0,06-0,09 мас. %, что способствует при кристаллизации сплава более полной пропитке жидким расплавом междендритных областей, обеспечивающее достаточно высокие показатели жаропрочности и пластичности металла лопаток с равноосной структурой.
Указанное свойство бора было реализовано в наиболее близком по технической сущности жаропрочном сплаве на основе никеля, содержащем, углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, титан, ниобий, гафний, церий, иттрий, кремний, бор, марганец, железо, серу, фосфор, медь, цирконий, азот, кислород и никель при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 0,05-0,09; хром 15,4-15,8; кобальт 10,0-10,4; вольфрам 5,0-5,3; молибден 1,6-1,8; алюминий 3,0-3,2; титан 4,3-4,5; ниобий 0,1-0,2; гафний 0,2-0,3; церий <0,015; иттрий <0,03; кремний <0,1; бор 0,06-0,09; марганец <0,1; железо <0,1; сера <0,005; фосфор <0,005; медь <0,05; цирконий <0,015; азот <20 ppm; кислород <15 ppm и никель - остальное.
(RU 2539643, С22С 19/05, приоритет от 19.02.2014)
Известный жаропрочный сплав в термообработанном состоянии можно использовать для литья крупногабаритных рабочих лопаток с равноосной структурой, поскольку при содержании бора 0,06-0,09 мас. % в габаритных рабочих лопатках при кристаллизации существенно снижено количество рассеянной усадочной пористости. Однако коррозионная стойкость недостаточна, что ограничивает применение известного сплава для литья крупногабаритных рабочих и сопловых лопаток в равноосном состоянии по оптимальному сочетанию коррозионной стойкости и жаропрочности.
Задачей и техническим результатом изобретения является создание жаропрочного сплава на основе никеля для литья крупногабаритных рабочих и сопловых лопаток с низкой усадочной пористостью и повышенной коррозионной стойкостью в сочетании с высокими характеристиками по длительной прочности при рабочих температурах 600-900°С, пластичности и структурной стабильности на ресурс.
Технический результат достигается тем, что жаропрочный коррозионно-стойкий сплав на основе никеля для литья крупногабаритных рабочих и сопловых лопаток газотурбинных установок включает углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, титан, ниобий, церий, иттрий, кремний, бор, марганец, железо, серу, фосфор, медь, азот, кислород и никель, при этом суммарное содержание алюминия и титана составляет 6,3-7,2 мас. %, отношение содержания титана к содержанию алюминия ≥1,4, а отношение содержания бора к содержанию углерода 7-18,5, при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 0,008-0,02; хром 20,0-21,5; кобальт 3,5-4,5; вольфрам 5,6-6,3; молибден 0,15-0,4; алюминий 2,6-3,2; титан 3,8-4,4; ниобий 0,15-0,4; церий ≤0,02; иттрий ≤0,015; кремний ≤0,1; бор 0,092-0,15; марганец ≤0,1; железо ≤0,5; сера ≤0,008; фосфор ≤0,008; медь ≤0,05; азот ≤30 ppm кислород ≤20 ppm и никель - остальное.
Количество упрочняющей γ'-фазы (Ni3Al) в сплаве по изобретению составляет ~37-39 ат. %, что обеспечивает достаточно высокий уровень служебных характеристик, например, жаропрочность за 103 часов при
Figure 00000001
и при
Figure 00000002
Повышенная температура полного растворения γ''-фазы, которая достигнута за счет повышенного содержания вольфрама 5,6-6,3 мас. % и ограничения содержания кобальта 3,5-4,5 мас. %, препятствует коагуляции γ'-фазы при наработке, о чем свидетельствует отрицательное значение показателя mismatch.
Высокое содержание хрома 20,0-21,5 мас. % при содержании алюминия 2,6-3,2 мас. %, титана 3,8-4,3 мас. %, их суммарном содержании 6,3-7,2 мас. % и отношении содержания титана к содержанию алюминия ≥1,4 в присутствия в составе марганца ≤0,1 мас. %, кремния ≤0,1 мас. %, а также легирование иттрием ≤0,015 мас. % и церием ≤0,02 мас. % в сочетании с пониженным содержанием углерода 0,008-0,02 мас. % приводит к повышению сопротивления сплава коррозии.
При этом высокое содержание бора 0,092-0,15 мас. % и пониженное содержание углерода 0,008-0,02 мас. % обеспечивают снижение газо- усадочной пористости на 30-40% по сравнению с прототипом (до 0,2-0,3% как в лопатках с монокристаллической структурой), что при оптимальном отношении содержания бора и углерода 7-18,5 позволяет использовать сплав для литья толстостенных крупногабаритных рабочих или сопловых лопаток.
Ограничение содержания серы ≤0,008 мас. %; фосфора ≤0,008 мас. %; меди ≤0,05 мас. %; кислорода ≤20 ppm; азота ≤30 ppm; и введение редкоземельных элементов (церия, иттрия) способствует устранению примесных соединений на границах зерен и повышению пластичности. При этом сплав по изобретению позволяет повысить содержание железа до ≤0,5 мас. %.
Повышенное содержание вольфрама 5,6-6,3 мас. % при суммарном содержании титана, алюминия и ниобия 6,55-8,2 мас. %, а также ограничение содержания молибдена 0,15-0,4 мас. % и кобальта 3,5-4,5 мас. % при концентрации хрома около 21 мас. % и наличии редкоземельных элементов позволили достичь достаточно высоких значений жаропрочности в сочетании с высокой коррозионной стойкостью.
Служебные характеристики металла сравниваемых жаропрочных сплавов с повышенным содержанием бора для литья крупногабаритных рабочих и сопловых лопаток были оценены с использованием известной методики ФАКОМП и других известных методик расчета свойств сплавов по их химическому составу. Известные методики позволяют с высокой степенью достоверности оценить структурную стабильность на ресурс (образование охрупчивающих фаз), склонность к выделению в литом состоянии неравновесных эвтектических фаз, на месте которых при термообработке литых лопаток образуются поры и трещины, характеристики длительной прочности, критические точки металла лопатки и другие ее физико-механические свойства.
(H.Harada и др., Сб. Superalloys, 1998; pp. 733-742; H.Harada и др., Сб. Superalloys, 2000; pp. 729-736; H.Harada и др., Сб. Alloys Design for Nickel-base Superalloys, 1982; pp. 721-735; Компьютерная программа «Расчетная система суперсплавов» №2007612023 ФСИСПТ от 17.05.2007 г.)
Достижение поставленного технического результата можно проиллюстрировать данными из таблиц 1 и 2.
Из представленных данных видно, сплав по изобретению имеет достаточно высокие характеристиками по длительной прочности при рабочих температурах 600-900°С, пластичности и структурной стабильности на ресурс и значительно превосходит известный сплав по коррозионной стойкости. При этом в сплаве по изобретению практически отсутствует рассеянная газо-усадочная пористость.
Достижение плотной структуры при литье заготовок крупногабаритных лопаток с использованием сплава по изобретению позволяет исключить из технологической цепочки производства дорогостоящую и трудоемкую операцию горячего изостатического прессования в газостате. Кроме того, повышенная вдвое по сравнению с прототипом коррозионная стойкость позволяет изготавливать рабочие и сопловые лопатки без применения защитных покрытий, что способствует снижению стоимости и продлению ресурса лопаток.
При этом литье лопаток из сплава по изобретению используют традиционно принятые приемы при равноосном литье, но с некоторыми ограничениями скоростей охлаждения (10-20 град/мин) после заливки.
Такие условия охлаждения позволяют получить размер зерна в пределах 2-5 мм и размер γ'-фазы в интервале 0,20-0,35 мкм.
Термическая обработка сплава по изобретению включает выдержку при температуре 1120°С в течение 2 часов охлаждение до 800°С со скоростью 40-50 градусов в минуту и последующее старение: выдержку при 850°С в течение 16 часов, охлаждение на воздухе, кратковременной прочности и пластичности.
Figure 00000003
Figure 00000004

Claims (3)

  1. Жаропрочный коррозионно-стойкий сплав на основе никеля для литья крупногабаритных рабочих и сопловых лопаток газотурбинных установок, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, титан, ниобий, церий, иттрий, кремний, бор, марганец, железо, серу, фосфор, медь, азот, кислород и никель, отличающийся тем, что он содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:
  2. углерод 0,008-0,02 хром 0,0-21,5 кобальт 3,5-4,5 вольфрам 5,6-6,3 молибден 0,15-0,4 алюминий 2,6-3,2 титан 3,8-4,4 ниобий 0,15-0,4 церий ≤0,02 иттрий ≤0,015 кремний ≤0,1 бор 0,092-0,15 марганец ≤0,1 железо ≤0,5 сера ≤0,008 фосфор ≤0,008 медь ≤0,05 кислород ≤20 ppm азот ≤30 ppm никель остальное,
  3. при этом суммарное содержание алюминия и титана составляет 6,3-7,2 мас.%, отношение содержания титана к содержанию алюминия ≥1,4, а отношение содержания бора к содержанию углерода 7-18,5.
RU2018118607A 2018-05-21 2018-05-21 Жаропрочный коррозионно-стойкий сплав на основе никеля для литья крупногабаритных рабочих и сопловых лопаток газотурбинных установок RU2678353C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018118607A RU2678353C1 (ru) 2018-05-21 2018-05-21 Жаропрочный коррозионно-стойкий сплав на основе никеля для литья крупногабаритных рабочих и сопловых лопаток газотурбинных установок

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018118607A RU2678353C1 (ru) 2018-05-21 2018-05-21 Жаропрочный коррозионно-стойкий сплав на основе никеля для литья крупногабаритных рабочих и сопловых лопаток газотурбинных установок

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2678353C1 true RU2678353C1 (ru) 2019-01-28

Family

ID=65273408

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018118607A RU2678353C1 (ru) 2018-05-21 2018-05-21 Жаропрочный коррозионно-стойкий сплав на основе никеля для литья крупногабаритных рабочих и сопловых лопаток газотурбинных установок

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2678353C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU208686U1 (ru) * 2021-10-03 2021-12-29 Антон Владимирович Новиков Блок из трех полых направляющих лопаток турбины для газотурбинных двигателей и энергетических установок

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0207874B1 (en) * 1985-05-09 1991-12-27 United Technologies Corporation Substrate tailored coatings for superalloys
RU2164959C1 (ru) * 1999-08-09 2001-04-10 Государственное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" Жаропрочный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из этого сплава
EP1995350B1 (en) * 2007-04-18 2010-07-28 Hitachi, Ltd. High temperature component with thermal barrier coating
RU2539643C1 (ru) * 2014-02-19 2015-01-20 Открытое акционерное общество Научно-производственное объединение "Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения" ОАО НПО "ЦНИИТМАШ" Жаропрочный сплав на основе никеля для изготовления лопаток газотурбинных установок и способ его термической обработки
EP2826877A2 (en) * 2013-07-12 2015-01-21 Daido Steel Co.,Ltd. Hot-forgeable Nickel-based superalloy excellent in high temperature strength
EP2330225B1 (en) * 2008-10-02 2015-03-25 Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation Nickel based heat-resistant alloy
RU2601720C1 (ru) * 2015-08-05 2016-11-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") Жаропрочный свариваемый сплав на основе кобальта и изделие, выполненное из него

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0207874B1 (en) * 1985-05-09 1991-12-27 United Technologies Corporation Substrate tailored coatings for superalloys
RU2164959C1 (ru) * 1999-08-09 2001-04-10 Государственное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" Жаропрочный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из этого сплава
EP1995350B1 (en) * 2007-04-18 2010-07-28 Hitachi, Ltd. High temperature component with thermal barrier coating
EP2330225B1 (en) * 2008-10-02 2015-03-25 Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation Nickel based heat-resistant alloy
EP2826877A2 (en) * 2013-07-12 2015-01-21 Daido Steel Co.,Ltd. Hot-forgeable Nickel-based superalloy excellent in high temperature strength
RU2539643C1 (ru) * 2014-02-19 2015-01-20 Открытое акционерное общество Научно-производственное объединение "Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения" ОАО НПО "ЦНИИТМАШ" Жаропрочный сплав на основе никеля для изготовления лопаток газотурбинных установок и способ его термической обработки
RU2601720C1 (ru) * 2015-08-05 2016-11-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") Жаропрочный свариваемый сплав на основе кобальта и изделие, выполненное из него

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU208686U1 (ru) * 2021-10-03 2021-12-29 Антон Владимирович Новиков Блок из трех полых направляющих лопаток турбины для газотурбинных двигателей и энергетических установок

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
EP2128284B1 (en) Ni-BASED SINGLE CRYSTAL SUPERALLOY AND TURBINE VANE USING THE SAME
JP4036091B2 (ja) ニッケル基耐熱合金及びガスタービン翼
US8877122B2 (en) Ni-based single crystal superalloy and turbine blade incorporating the same
JPWO2007122931A1 (ja) Ni基超合金とその製造方法
JP5876915B2 (ja) 高強度単結晶超合金
RU2539643C1 (ru) Жаропрочный сплав на основе никеля для изготовления лопаток газотурбинных установок и способ его термической обработки
JPWO2006104059A1 (ja) コバルトフリーのNi基超合金
JP6970438B2 (ja) Ni基超合金
RU2678353C1 (ru) Жаропрочный коррозионно-стойкий сплав на основе никеля для литья крупногабаритных рабочих и сопловых лопаток газотурбинных установок
RU2581339C1 (ru) Лопатка газотурбинной установки из жаропрочного сплава на основе никеля и способ ее изготовления
JP5595495B2 (ja) ニッケル基超合金
ES2684780T3 (es) Superaleación basada en níquel optimizada
JPH0211660B2 (ru)
JP4911753B2 (ja) Ni基超耐熱合金及びそれを用いたガスタービン部品
JPH1121645A (ja) Ni基耐熱超合金、Ni基耐熱超合金の製造方法及びNi基耐熱超合金部品
RU2581337C1 (ru) Жаропрочный сплав на основе никеля для литья деталей горячего тракта газотурбинных установок, имеющих равноосную структуру
JPH11246954A (ja) Ni基一方向凝固合金の製造方法
US4976791A (en) Heat resistant single crystal nickel-base super alloy
US20120034127A1 (en) Low sulfur nickel-base single crystal superalloy with ppm additions of lanthanum and yttrium
JP6769341B2 (ja) Ni基超合金
RU2576290C1 (ru) Жаропрочный сплав на основе никеля для литья сопловых лопаток с равноосной структурой газотурбинных установок
RU2562202C1 (ru) Состав шихтовой заготовки жаропрочного сплава на основе никеля с равноосной структурой для литья рабочих лопаток газотурбинных установок
RU2585148C1 (ru) Жаропрочный сплав на основе никеля для литья с равноосной структурой интегральных колес и рабочих лопаток
RU2678352C1 (ru) Жаропрочный сплав на основе никеля для литья рабочих лопаток газотурбинных установок