RU2768946C1 - Cast heat-resistant nickel alloy with monocrystalline structure - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to metallurgy, namely to casting heat-resistant nickel alloys intended for casting parts of gas turbines with a monocrystalline structure with operating temperature of up to 1,100 °C and higher. Cast heat-resistant nickel alloy with monocrystalline structure contains, wt%: carbon 0.002–0.1, chrome 3.0–6.0, cobalt 4.0–7.5, tungsten 2.0–4.0, molybdenum 2.5–4.0, aluminum 5.5–7.0, tantalum 7.0–10.0, vanadium 0.1–0.5, rhenium 3.5–5.0, zirconium 0.01–0.05, yttrium 0.001–0.1, lanthanum 0.001–0.1, cerium 0.001–0.1, silicon 0.01–0.2, manganese 0.01–0.2, boron 0.005–0.03, magnesium 0.01–0.03, praseodymium 0.01–0.1, nickel – the rest, subject to the following conditions: 44.8≥3.0C_Mo+1.6C_W+2.3C_Ta+1.3C_Re, where C_Mo, C_W, C_Ta, C_Re – concentration of corresponding elements in the alloy, wt%, and C_Al/(C_Ta+C_W+C_Mo)≥1.0 (at.%/at.%), where C_Al, C_Ta, C_W, C_Mo – concentration of corresponding elements in γ'-phase, at.%.

EFFECT: providing high heat resistance while maintaining specific weight of 8_82 g/cm³.

1 cl, 2 tbl

Description

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным жаропрочным никелевым сплавам, предназначенным для литья деталей газовых турбин с монокристальной структурой с рабочей температурой до 1100°С и выше.The invention relates to the field of metallurgy, and in particular to cast heat-resistant nickel alloys intended for casting parts of gas turbines with a single-crystal structure with a working temperature of up to 1100°C and above.

Литейный жаропрочный никелевый сплав с монокристальной структурой содержит (мас. %):Cast high-temperature nickel alloy with a single-crystal structure contains (wt.%):

хром 3,0-6,0;chromium 3.0-6.0;

кобальт 4,0-7,5;cobalt 4.0-7.5;

вольфрам 2,0-4,0;tungsten 2.0-4.0;

молибден 2,5-4,0;molybdenum 2.5-4.0;

алюминий 5,5-7,0;aluminum 5.5-7.0;

тантал 7,0-10,0;tantalum 7.0-10.0;

ванадий 0,1-0,5;vanadium 0.1-0.5;

рений 3,5-5,0;rhenium 3.5-5.0;

цирконий 0,01-0,05;zirconium 0.01-0.05;

углерод 0,002-0,1;carbon 0.002-0.1;

иттрий 0,001-0,1;yttrium 0.001-0.1;

лантан 0,001-0,1;lanthanum 0.001-0.1;

церий 0,001-0,1;cerium 0.001-0.1;

кремний 0,01-0,2;silicon 0.01-0.2;

марганец 0,01-0,2;manganese 0.01-0.2;

бор 0,005-0,03;boron 0.005-0.03;

магний 0,01-0,03;magnesium 0.01-0.03;

празеодим 0,01-0,1;praseodymium 0.01-0.1;

никель - остальное.nickel - the rest.

При соблюдении следующих условий:Subject to the following conditions:

44,8≥3,0С_Мо+1,6CV+2,3С_Та+1,3C_Re,44.8≥3.0С _Mo +1.6CV+2.3С _Ta +1.3C _Re ,

где C_i - концентрации (мас. %) соответствующих элементов в сплаве иwhere C _i - concentrations (wt.%) of the corresponding elements in the alloy and

здесь концентрации (ат. %) соответствующих элементов в γ'-фазе.here are the concentrations (at. %) of the corresponding elements in the γ'-phase.

В настоящее время в мировом авиастроении четко прослеживаются два ведущих направления развития авиационной техники: существенное повышение температурно-силовых условий работы ГТД, а также значительное улучшение их надежности и экономичности. При этом реализация условий экономичности в конечной мере определяется разработкой и эксплуатацией жаропрочных никелевых сплавов, имеющих при сопоставимом удельном весе существенно более высокий уровень жаропрочности или более низкую стоимость сплавов.At present, two leading directions in the development of aviation technology are clearly visible in the global aircraft industry: a significant increase in the temperature and power conditions for the operation of gas turbine engines, as well as a significant improvement in their reliability and efficiency. At the same time, the implementation of economic conditions is ultimately determined by the development and operation of heat-resistant nickel alloys, which, with a comparable specific gravity, have a significantly higher level of heat resistance or a lower cost of alloys.

На это, в частности, направлены активно ведущиеся за рубежом работы. В частности, фирма General Electric создала на базе известного монокристального сплава II поколения Rene 5, содержащего 3% Re, сплав Rene 515, который легирован 1,5% Re и при этом обладающий практически тем же уровнем жаропрочности.This, in particular, is the focus of the work being actively carried out abroad. In particular, on the basis of the well-known single-crystal alloy of the II generation Rene 5, containing 3% Re, the General Electric company created the Rene 515 alloy, which is alloyed with 1.5% Re and at the same time has almost the same level of heat resistance.

Фирма Cannon Muskegon для замены группы ренийсодержащих монокристальных никелевых сплавов II-го поколения (имеющих ~ 3% Re) разработала содержащий 1,5% Re сплав CMSX-8, имеющий свойства, аналогичные сплавам CMSX-4, PWA-1484, Rene 5.Cannon Muskegon, in order to replace a group of rhenium-containing single-crystal nickel alloys of the second generation (having ~ 3% Re), has developed an alloy containing 1.5% Re CMSX-8, which has properties similar to alloys CMSX-4, PWA-1484, Rene 5.

Жаропрочные никелевые монокристальные сплавы II-го поколения имеют длительную 100-часовую прочность до разрушения при 1000°С

на уровне (240-260) МПа, при этом их удельный вес колеблется от 8,7 до 8,85 г/см³. Сплавы III-го поколения за счет более высокого содержания Re имеют длительную прочность

(260-300) МПа, однако их удельный вес заметно увеличился, достигнув значений (8,9-9,1) г/см³. Указанное обстоятельство является серьезным недостатком, поскольку в этом случае необходимо заметно увеличить толщину дисков и, соответственно, вес газовой турбины.High-temperature nickel single-crystal alloys II generation have a long-term 100-hour strength to failure at 1000°C

at the level of (240-260) MPa, while their specific gravity ranges from 8.7 to 8.85 g/cm ³ . Alloys of the third generation due to the higher content of Re have a long-term strength

(260-300) MPa, however, their specific gravity increased markedly, reaching values of (8.9-9.1) g/cm ³ . This circumstance is a serious drawback, since in this case it is necessary to significantly increase the thickness of the disks and, accordingly, the weight of the gas turbine.

В связи с этим одной из важнейших задач является разработка сплава с уровнем жаропрочных свойств материалов III-го поколения, но имеющего удельный вес монокристальных никелевых сплавов II-го поколения.In this regard, one of the most important tasks is the development of an alloy with the level of heat-resistant properties of materials of the IIIrd generation, but having a specific weight of single-crystal nickel alloys of the IInd generation.

В России была проведена работа, направленная на возможную замену широко используемого в промышленности монокристального никелевого сплава ЖС-32 ВИ, имеющего длительную прочность

при удельном весе 8,84 г/см³ на сплав СЛЖС 32МР (патент РФ № 2700442, опубл. 17.09.2019 г., бюл. № 26), который обладает длительной прочностью, равной 266,5 МПа, при этом его удельный вес равен 8,83 г/см³, а содержание крайне дорогого рения ~ в 2 раза ниже.In Russia, work was carried out aimed at the possible replacement of the single-crystal nickel alloy ZhS-32 VI, widely used in industry, which has a long-term strength

with a specific weight of 8.84 g/cm ³ for the SLZhS 32MR alloy (RF patent No. 2700442, publ. is equal to 8.83 g/cm ³ , and the content of extremely expensive rhenium is ~ 2 times lower.

Таким образом, указанная задача частично решена, однако актуально остается создание монокристального никелевого сплава с удельным весом порядка 8,82 г/с³, но с более высоким уровнем жаропрочности.Thus, this problem has been partially solved, but the creation of a single-crystal nickel alloy with a specific gravity of about 8.82 g/s ³ , but with a higher level of heat resistance, remains topical.

Изготовлен жаропрочный сплав на основе никеля, предназначенный для литья деталей методом направленной кристаллизации преимущественно монокристаллических рабочих и сопловых лопаток (патент РФ № 2318030, опубл. 21.02.2008 г.), имеющий следующий состав:A nickel-based heat-resistant alloy is made, intended for casting parts by the method of directional crystallization of predominantly single-crystal rotor blades and nozzle blades (RF patent No. 2318030, publ. 21.02.2008), having the following composition:

углерод - 0,001-0,04,carbon - 0.001-0.04,

хром - 4,0-6,0,chromium - 4.0-6.0,

кобальт - 8,0-10,0,cobalt - 8.0-10.0,

вольфрам - 6,5-8,0,tungsten - 6.5-8.0,

молибден - 0,8-2,2,molybdenum - 0.8-2.2,

титан - 0,1-1,0,titanium - 0.1-1.0,

алюминий - 5,4-6,2,aluminum - 5.4-6.2,

тантал - 4,0-7,0,tantalum - 4.0-7.0,

рений - 2,7-3,7,rhenium - 2.7-3.7,

ниобий - 0,1-1,0,niobium - 0.1-1.0,

бор - 0,001-0,02,boron - 0.001-0.02,

церий - 0,015-0,05,cerium - 0.015-0.05,

иттрий - 0,001-0,002,yttrium - 0.001-0.002,

кислород - 0,0003-0,0,001,oxygen - 0.0003-0.0.001,

азот - 0,0003-0,001,nitrogen - 0.0003-0.001,

никель - остальное.nickel - the rest.

Сплав технологичен при литье, не склонен к образованию поверхностных дефектов типа «струйной ликвации». Сплав характеризуется следующими показателями жаропрочности: при нагрузке σ=360 МПа и температуре 975°С его длительность до разрушения т составляет (59-75) час, а при температуре 1100°С и нагрузке 140 МПа его длительность до разрушения находится в пределах (98-140) час, а при той же температуре 1100°С и нагрузке 100 МПа она составляет (514-680) час. Это соответствует уровню 100-часовой длительной прочности при 1000°С, равной ≈ 267 МПа при удельном весе 8,82 г/см³. При этом содержание рения составляет ≈ 3,5 мас. %. Сплав обладает более высокой по сравнению со сплавом ЖС32-ВИ жаропрочностью, однако для новой техники требуется работоспособность при гораздо более высоких температурах (1000-1100)°С.The alloy is manufacturable during casting, is not prone to the formation of surface defects such as "jet segregation". The alloy is characterized by the following indicators of heat resistance: at a load of σ=360 MPa and a temperature of 975°C, its duration before destruction t is (59-75) hours, and at a temperature of 1100°C and a load of 140 MPa, its duration before destruction is in the range (98- 140) hour, and at the same temperature of 1100°C and a load of 100 MPa, it is (514-680) hours. This corresponds to the level of 100-hour long-term strength at 1000°C, equal to ≈ 267 MPa with a specific gravity of 8.82 g/cm ³ . The content of rhenium is ≈ 3.5 wt. %. The alloy has a higher heat resistance compared to the ZhS32-VI alloy, but the new technology requires performance at much higher temperatures (1000-1100)°C.

Известен также монокристальный жаропрочный никелевый сплав, разработанный в Университете г. Оксфорд (Великобритания) - патент US 2018|0066340 А1, опубл. 8.03.2018 г. следующего состава (мас. %):Also known is a single-crystal high-temperature nickel alloy developed at the University of Oxford (UK) - patent US 2018 | 0066340 A1, publ. March 8, 2018 of the following composition (wt.%):

хром - 1,0-7,0,chromium - 1.0-7.0,

кобальт - 4,0-14,0,cobalt - 4.0-14.0,

рений - 1,0-2,0,rhenium - 1.0-2.0,

вольфрам - 0,5-11,0,tungsten - 0.5-11.0,

молибден - 0,0-0,5,molybdenum - 0.0-0.5,

алюминий - 4,0-6,5,aluminum - 4.0-6.5,

тантал - 8,0-12,0,tantalum - 8.0-12.0,

гафний - 0,0-0,5,hafnium - 0.0-0.5,

ниобий - 0,0-0,5,niobium - 0.0-0.5,

титан - 0,0-0,5,titanium - 0.0-0.5,

ванадий - 0,0-0,5,vanadium - 0.0-0.5,

кремний - 0,0-0,1,silicon - 0.0-0.1,

иттрий - 0,0-0,1,yttrium - 0.0-0.1,

лантан - 0,0-0,1,lanthanum - 0.0-0.1,

церий - 0,0-0,1,cerium - 0.0-0.1,

сера - 0,0-0,003,sulfur - 0.0-0.003,

магний - 0,0-0,05,magnesium - 0.0-0.05,

цирконий - 0,0-0,5,zirconium - 0.0-0.5,

бор - 0,0-0,005,boron - 0.0-0.005,

углерод - 0,0-0,01,carbon - 0.0-0.01,

никель - остальное.nickel - the rest.

Сплав имеет уровень длительной прочности, сопоставимый со сплавом CMSX-4 (Cannon Muskegon, США), его

МПа, однако он имеет ряд важных преимуществ:The alloy has a level of long-term strength comparable to CMSX-4 alloy (Cannon Muskegon, USA), its

MPa, however, it has a number of important advantages:

- его цена значительно ниже, т.к. содержание рения в нем примерно в 2 раза ниже;- its price is much lower, because the content of rhenium in it is about 2 times lower;

- он имеет сравнительно высокую стойкость против окисления;- it has a relatively high resistance to oxidation;

- в нем практически полностью отсутствуют охрупчивающие структуру ТПУ-фазы.- it almost completely lacks structure-embrittling TPU-phases.

Однако его удельный вес весьма высок и равен 8,89 г/см³, что не позволит считать этот сплав решением поставленной задачи.However, its specific gravity is very high and equal to 8.89 g/cm ³ , which does not allow us to consider this alloy as a solution to the problem.

Кроме того, достигнутый уровень жаропрочности не является достаточным.In addition, the achieved level of heat resistance is not sufficient.

Известен также монокристальный жаропрочный никелевый сплав Китая (патент Китая CN № 101525707 А, опубл. 17.04.2009 г.), сплав содержит (мас. %):Also known is a single-crystal heat-resistant nickel alloy of China (China patent CN No. 101525707 A, publ. 17.04.2009), the alloy contains (wt.%):

хром - 5,5-6,5,chromium - 5.5-6.5,

кобальт - 3,5-4,5,cobalt - 3.5-4.5,

вольфрам - 1,5-2,5,tungsten - 1.5-2.5,

молибден - 2,5-3,5,molybdenum - 2.5-3.5,

титан - 0,35-0,45,titanium - 0.35-0.45,

алюминий - 5,5-6,5,aluminum - 5.5-6.5,

тантал - 5,5-6,5,tantalum - 5.5-6.5,

гафний - 0,005-0,15,hafnium - 0.005-0.15,

ниобий - 0,5-1,5,niobium - 0.5-1.5,

рений - 2,5-3,5.rhenium - 2.5-3.5.

В состав также добавляются микроэлементы, углерод и бор, никель - остальное.Microelements, carbon and boron are also added to the composition, nickel is the rest.

Этот сплав имеет

МПа (что соответствует сплаву ЖС-32 ВИ) при удельном весе 8,87 г/см³ и не может рассматриваться в качестве перспективного.This alloy has

MPa (which corresponds to the ZhS-32 VI alloy) with a specific weight of 8.87 g/cm ³ and cannot be considered as promising.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является сплав СЛЖС-32МР (патент РФ № 2700442, опубл. 17.09.2019 г., бюл. № 26).The closest analogue, taken as a prototype, is the SLZhS-32MR alloy (RF patent No. 2700442, publ. 17.09.2019, bull. No. 26).

Сплав содержит (мас. %):The alloy contains (wt.%):

углерод - 0,002-0,1,carbon - 0.002-0.1,

хром - 4,0-8,0,chromium - 4.0-8.0,

кобальт - 6,0-12,0,cobalt - 6.0-12.0,

вольфрам - 3,0-8,0,tungsten - 3.0-8.0,

молибден - 4,0-8,0,molybdenum - 4.0-8.0,

алюминий - 4,6-6,6,aluminum - 4.6-6.6,

тантал - 6,5-11,0,tantalum - 6.5-11.0,

гафний - 0,1-1,0,hafnium - 0.1-1.0,

рений - 1,0-3,0,rhenium - 1.0-3.0,

иттрий - 0,001-0,1,yttrium - 0.001-0.1,

лантан - 0,001-0,1,lanthanum - 0.001-0.1,

церий - 0,001-0,1,cerium - 0.001-0.1,

кремний - 0,01-0,2,silicon - 0.01-0.2,

марганец - 0,01-0,2,manganese - 0.01-0.2,

бор - 0,005-0,03,boron - 0.005-0.03,

никель - остальное.nickel - the rest.

Особенностью сплава является то, что он, обладая сравнительно высоким уровнем жаропрочности, отличается относительно низкой стоимостью (поскольку содержание рения в нем ≈ в 2 раза ниже, чем в сплаве ЖС32-ВИ). Кроме того, он характеризуется высокой устойчивостью против образования охрупчивающих ТПУ-фаз.A feature of the alloy is that, having a relatively high level of heat resistance, it is distinguished by a relatively low cost (since the rhenium content in it is ≈ 2 times lower than in the ZhS32-VI alloy). In addition, it is characterized by high resistance against the formation of embrittling TPU phases.

Нами предложен литейный жаропрочный никелевый сплав с монокристальной структурой, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, тантал, рений, иттрий, лантан, церий, кремний, марганец, бор, цирконий, магний, ванадий и празеодим при следующем соотношении легирующих компонентов (мас. %):We have proposed a cast high-temperature nickel alloy with a single-crystal structure containing carbon, chromium, cobalt, tungsten, molybdenum, aluminum, tantalum, rhenium, yttrium, lanthanum, cerium, silicon, manganese, boron, zirconium, magnesium, vanadium and praseodymium with the following alloying ratio components (wt.%):

углерод 0,002-0,1,carbon 0.002-0.1,

хром 3,0-6,0,chrome 3.0-6.0,

кобальт 4,0-7,5,cobalt 4.0-7.5,

вольфрам 2,0-4,0,tungsten 2.0-4.0,

молибден 2,5-4,0,molybdenum 2.5-4.0,

алюминий 5,5-7,0,aluminum 5.5-7.0,

тантал 7,0-10,0,tantalum 7.0-10.0,

ванадий 0,1-0,5,vanadium 0.1-0.5,

рений 3,5-5,0,rhenium 3.5-5.0,

цирконий 0,01-0,05,zirconium 0.01-0.05,

иттрий 0,001-0,1,yttrium 0.001-0.1,

лантан 0,001-0,1,lanthanum 0.001-0.1,

церий 0,001-0,1,cerium 0.001-0.1,

кремний 0,01-0,2,silicon 0.01-0.2,

марганец 0,01-0,2,manganese 0.01-0.2,

бор 0,005-0,03,boron 0.005-0.03,

магний 0,01-0,03,magnesium 0.01-0.03,

празеодим 0,01-0,1,praseodymium 0.01-0.1,

никель – остальное,nickel - the rest,

при соблюдении следующих условий:subject to the following conditions:

44,8≥3,0С_Мо+1,6C_w+2,3С_Та+1,3C_Re,44.8≥3.0С _Mo +1.6C _w +2.3С _Ta +1.3C _Re ,

где C_i - концентрации (мас. %) соответствующих элементов в сплаве иwhere C _i - concentrations (wt.%) of the corresponding elements in the alloy and

здесь концентрации (ат. %) соответствующих элементов в γ'-фазе.here are the concentrations (at. %) of the corresponding elements in the γ'-phase.

Техническим результатом является увеличение содержания обеспечивающего высокую жаропрочность рения до уровня его концентрации в сплаве ЖС32-ВИ при сохранении удельного веса порядка 8,82 г/см³ за счет снижения концентрации других тяжелых, но более слабо влияющих на жаропрочность элементов (в частности, вольфрама, среднее содержание которого снижено на 1,5 мас. %). Укажем, что средняя концентрация имеющего примерно тот же удельный вес рения увеличена примерно на 2 мас. %.The technical result is to increase the content of rhenium, which provides high heat resistance, to the level ^of its concentration in the ZhS32-VI alloy, while maintaining a specific gravity of about 8.82 g/cm the average content of which is reduced by 1.5 wt %. We point out that the average concentration of rhenium having approximately the same specific gravity is increased by approximately 2 wt. %.

С целью обеспечения более высокого уровня жаропрочности заметно снижена суммарная концентрация хрома и кобальта, оказывающих отрицательное влияние на высокотемпературную длительную прочность.In order to provide a higher level of heat resistance, the total concentration of chromium and cobalt, which have a negative effect on high-temperature long-term strength, has been significantly reduced.

Однако, поскольку снижение концентрации хрома (и кобальта) приводит к ухудшению стойкости против высокотемпературной коррозии, в состав сплава дополнительно введен празеодим, при этом %Ce:%Y:%La:%Pr соотносится, как 1,5:1:1:1, а суммарное содержание их не должно превышать 0,1 мас. %. Осуществленное подобным образом микролегирование оказывает синергетическое воздействие и значительно улучшает сопротивление окислению. Структурные исследования показали, что в этом случае на поверхности сплава вместо рыхлого окисла NiO, имеющего большое количество пор и трещин (что, в свою очередь, способствует свободному проникновению кислорода) образуется защитная пленка с большим количеством оксида хрома (Cr₂O₃), который имеет существенно более плотную структуру и значительно замедляет диффузию кислорода через слой окисла.However, since a decrease in the concentration of chromium (and cobalt) leads to a deterioration in resistance to high-temperature corrosion, praseodymium is additionally introduced into the composition of the alloy, while %Ce:%Y:%La:%Pr correlates as 1.5:1:1:1 , and their total content should not exceed 0.1 wt. %. Microalloying carried out in this way has a synergistic effect and significantly improves the oxidation resistance. Structural studies have shown that in this case, instead of loose NiO oxide, which has a large number of pores and cracks (which, in turn, facilitates the free penetration of oxygen), a protective film is formed on the alloy surface with a large amount of chromium oxide (Cr ₂ O ₃ ), which has a much denser structure and significantly slows down the diffusion of oxygen through the oxide layer.

La и Pr имеют гораздо больший атомный радиус, чем у Се и Y, поэтому они блокируют катионные вакансии в решетке NiO, снижают их концентрацию и тем самым замедляют диффузию атомов Ni через решетку МО, что, в свою очередь, приводит к увеличению содержания хрома в поверхностных слоях.La and Pr have a much larger atomic radius than Ce and Y; therefore, they block cation vacancies in the NiO lattice, reduce their concentration, and thereby slow down the diffusion of Ni atoms through the MO lattice, which, in turn, leads to an increase in the chromium content in the NiO lattice. surface layers.

Кроме того, La и Pr эффективно замедляют диффузию и процессы коагуляции γ'-фазы при работе сплава (образование рафт-структуры и ее укрупнение протекают гораздо медленнее, т.е. сплав в значительно большей степени сохраняет жаропрочные свойства, что особенно важно для рабочих и сопловых лопаток первых ступеней перспективных газотурбинных двигателей).In addition, La and Pr effectively slow down the diffusion and coagulation processes of the γ'-phase during the operation of the alloy (the formation of a raft structure and its coarsening proceed much more slowly, i.e., the alloy retains heat-resistant properties to a much greater extent, which is especially important for workers and nozzle vanes of the first stages of promising gas turbine engines).

С целью повышения уровня жаропрочности сплавов также дополнительно введен ванадий.In order to increase the level of heat resistance of alloys, vanadium has also been additionally introduced.

V и La замедляют коагуляцию γ'-фазы при высоких температурах и напряжениях. Следовательно, процессы деградации структуры, контролируемые диффузией, протекают гораздо медленнее, а это, в свою очередь, обеспечивает более высокую работоспособность сплава.V and La slow down the coagulation of the γ'-phase at high temperatures and stresses. Consequently, the processes of degradation of the structure, controlled by diffusion, proceed much more slowly, and this, in turn, provides a higher performance of the alloy.

Учитывая, что перспективные сплавы этого класса обладают весьма сложным легированием, важным является введение дополнительных условий, обеспечивающих высокую стабильность структуры и предотвращение возможного в процессе работы сплава распада γ-матрицы с выделением из нее охрупчивающих ТПУ-фаз, а также возможного распада упрочняющей γ'-фазы с образованием снижающих прочностные свойства пластинчатых η (на базе Ni₃Ti), δ - [на базе Ni₃(Nb, Та)] и других фаз (в предлагаемом сплаве возникает вероятность образования интерметаллидных соединений типа Ni₃(Ta_nW_mMo_e).Considering that promising alloys of this class have a very complex alloying, it is important to introduce additional conditions that ensure high stability of the structure and prevent the possible decomposition of the γ-matrix during the operation of the alloy with the release of embrittling TPU phases from it, as well as the possible decomposition of the strengthening γ'- phases with the formation of strength-reducing lamellar η (based on Ni ₃ Ti), δ - [based on Ni ₃ (Nb, Ta)] and other phases (in the proposed alloy, there is a possibility of formation of intermetallic compounds of the type Ni ₃ (Ta _n W _m Mo _e ).

Как известно, эффективный контроль возможности зарождения охрупчивающих ТПУ-фаз предлагается в методе New Phacomp, а именно:As is known, effective control of the possibility of nucleation of embrittling TPU phases is proposed in the New Phacomp method, namely:

где Q - атомные доли соответствующих элементов в γ-матрице сплава.where Q are the atomic fractions of the corresponding elements in the γ-matrix of the alloy.

При этом если величина критерия

будет меньше 0,93, то ТПУ-соединение в сплаве образовываться не будет.Moreover, if the value of the criterion

will be less than 0.93, then the TPU compound will not form in the alloy.

Зависимость (1) взята нами в качестве наиболее объективного критерия контроля процесса образования ТПУ-фаз.Dependence (1) was taken by us as the most objective criterion for controlling the process of TPU phase formation.

Однако наши исследования показали, что критическое значение

для сплавов предлагаемого состава должно быть не 0,93, а заметно ниже и (с учетом наличия остаточной после термообработки дендритной ликвации) составляет величину ≅0,9.However, our studies have shown that the critical value

for alloys of the proposed composition, it should be not 0.93, but noticeably lower and (taking into account the presence of dendritic segregation residual after heat treatment) is ≅0.9.

В предлагаемом сплаве отсутствуют титан, ниобий, гафний и рутений. Концентрация мало- и микролегирующих элементов (В, Zr, La, Y и др.) весьма незначительна и их влиянием на величину

можно пренебречь.The proposed alloy does not contain titanium, niobium, hafnium and ruthenium. The concentration of low- and microalloying elements (B, Zr, La, Y, etc.) is very insignificant and their influence on the value

can be neglected.

Наибольшее влияние на этот параметр оказывают Mo, W, Та и Re.Mo, W, Ta, and Re have the greatest influence on this parameter.

Осуществив перевод атомных долей в массовую концентрацию элементов в сплаве применительно к их среднему содержанию в предлагаемой области легирования, получаем следующую зависимость, определяющую условие отсутствия распада γ-матрицы и выделения из нее охрупчивающих ТПУ-фаз, а именно:By converting the atomic fractions into the mass concentration of elements in the alloy in relation to their average content in the proposed alloying area, we obtain the following dependence, which determines the condition for the absence of decay of the γ-matrix and the separation of embrittling TPU phases from it, namely:

где C_i - концентрация (мас. %) соответствующих элементов в сплаве.where C _i is the concentration (wt.%) of the corresponding elements in the alloy.

Предотвращение распада упрочняющей γ'-фазы с выделением из нее нежелательных фаз типа Ni₃ (Ta, W, Mo) определяем из условия:The prevention of the decomposition of the strengthening γ'-phase with the release of undesirable phases of the Ni ₃ (Ta, W, Mo) type from it is determined from the condition:

Здесь C_i - концентрация (ат %) соответствующих элементов в γ'-фазе.Here C _i is the concentration (at %) of the corresponding elements in the γ'-phase.

Пример осуществленияImplementation example

Достижение поставленного технического результата достаточно убедительно иллюстрируются результатами, приведенными в Таблице 1 и 2.The achievement of the set technical result is quite convincingly illustrated by the results shown in Tables 1 and 2.

Результаты, приведенные в Таблице 2, показывают, что созданный новый сплав, имея удельный вес не выше, чем у сплавов-аналогов, обладает заметно более высоким уровнем жаропрочности, что является крайне важным для новых образцов перспективной газотурбинной техники.The results shown in Table 2 show that the created new alloy, having a specific gravity no higher than that of analogue alloys, has a noticeably higher level of heat resistance, which is extremely important for new models of promising gas turbine technology.

Если удельная жаропрочность аналогов находится на уровне (30,1-30,9) МПа⋅см³/г, то предложенный сплав, имея критерий

на уровне (31,92-33,2), оказывается существенно более работоспособным.If the specific heat resistance of analogues is at the level of (30.1-30.9) MPa⋅cm ³ /g, then the proposed alloy, having the criterion

at the level (31.92-33.2), turns out to be significantly more efficient.

По сравнению с имеющим такой же удельный вес (8,83 г/см³) перспективным сплавом США CMSX-8, длительная прочность которого

равна 259,0 МПа, сплав обеспечивает значительно лучшие эксплуатационные показатели.Compared to the promising US alloy CMSX-8 with the same specific gravity (8.83 g/cm ³ ), whose long-term strength

equal to 259.0 MPa, the alloy provides significantly better performance.

Claims (7)

Литейный жаропрочный никелевый сплав с монокристальной структурой, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, тантал, рений, иттрий, лантан, церий, кремний, марганец, бор, отличающийся тем, что он дополнительно содержит цирконий, магний, ванадий и празеодим при следующем соотношении легирующих компонентов, мас.%:Cast high-temperature nickel alloy with a single-crystal structure containing carbon, chromium, cobalt, tungsten, molybdenum, aluminum, tantalum, rhenium, yttrium, lanthanum, cerium, silicon, manganese, boron, characterized in that it additionally contains zirconium, magnesium, vanadium and praseodymium at the following ratio of alloying components, wt.%: углеродcarbon 0,002-0,10.002-0.1 хромchromium 3,0-6,03.0-6.0 кобальтcobalt 4,0-7,54.0-7.5 вольфрамtungsten 2,0-4,02.0-4.0 молибденmolybdenum 2,5-4,02.5-4.0 алюминийaluminum 5,5-7,05.5-7.0 танталtantalum 7,0-10,07.0-10.0 ванадийvanadium 0,1-0,50.1-0.5 ренийrhenium 3,5-5,03.5-5.0 цирконийzirconium 0,01-0,050.01-0.05 иттрийyttrium 0,001-0,10.001-0.1 лантанlanthanum 0,001-0,10.001-0.1 церийcerium 0,001-0,10.001-0.1 кремнийsilicon 0,01-0,20.01-0.2 марганецmanganese 0,01-0,20.01-0.2 борboron 0,005-0,030.005-0.03 магнийmagnesium 0,01-0,030.01-0.03 празеодимpraseodymium 0,01-0,10.01-0.1 никельnickel остальноеrest при соблюдении следующих условий:subject to the following conditions: 44,8≥3,0С_Мо+1,6C_W+2,3С_Та+1,3C_Re,44.8≥3.0С _Mo +1.6C _W +2.3С _Ta +1.3C _Re , где С_Мо, C_W, С_Та, C_Re – концентрации соответствующих элементов в сплаве, мас.% иwhere C _Mo , C _W , C _Ta , C _Re are the concentrations of the corresponding elements in the alloy, wt.% and

где С_Al, С_Ta, C_W, С_Mo – концентрации соответствующих элементов в γ'-фазе, ат.%.where C_Al, FROM_Ta, C_W, FROM_Mo are the concentrations of the corresponding elements in the γ'-phase, at.%.