RU2766197C1

RU2766197C1 - Cast heat-resistant nickel-based alloy and an article made from it

Info

Publication number: RU2766197C1
Application number: RU2021121222A
Authority: RU
Inventors: Евгений Владимирович Шильников; Илья Викторович Кабанов; Александр Евгеньевич Шильников; Борис Владимирович Троянов; Татьяна Александровна Топилина
Original assignee: Акционерное общество "Металлургический завод "Электросталь"
Priority date: 2021-07-19
Filing date: 2021-07-19
Publication date: 2022-02-09

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to metallurgy, namely to cast heat-resistant nickel-based alloys, and can be used for making casts, for example, working and nozzle blades of gas turbine engines with an equiaxial structure, operating under conditions of high temperatures and stresses. Cast heat-resistant nickel-based alloy contains the following, wt.%: carbon up to 0.15, chromium 12.0–16.0, cobalt 12.0–16.0, molybdenum 3.0–5.0, aluminum 4.0–5.0, titanium 3.0–4.0, boron up to 0.05, zirconium up to 0.05, silicon up to 0.20, manganese up to 0.15, at least one element from the group: magnesium, calcium and barium up to 0.10, at least one element from the group: cerium, praseodymium and neodymium up to 0.10, nickel — the rest. Casting for production of working and nozzle blades of gas turbine engine can be made from the alloy.

EFFECT: provides an increase in mechanical properties, long-term strength with a simultaneous increase in resistance to high-temperature gas corrosion (heat resistance), as well as an increase in the structural stability of the alloy for a resource.

2 cl, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным жаропрочным сплавам на основе никеля, и может быть использовано для изготовления отливок, например, рабочих и сопловых лопаток газотурбинных двигателей с равноосной структурой, работающих в условиях высоких температур и напряжений. Литейный жаропрочный сплав на основе никеля содержит, мас. %: углерод до 0,15; хром 12,0-16,0; кобальт 12,0-16,0; молибден 3,0-5,0; алюминий 4,0-5,0; титан 3,0-4,0; бор до 0,05; цирконий до 0,05; кремний до 0,20; марганец до 0,15; по меньшей мере один элемент из группы: магний, кальций и барий до 0,10; по меньшей мере один элемент из группы: по меньшей мере один элемент из группы: церий, празеодим и неодим до 0,10; никель - остальное. Обеспечивается повышение механических свойств, длительной прочности с одновременным повышением стойкости к высокотемпературной газовой коррозии (жаростойкости), а также повышение структурной стабильности сплава на ресурс.SUBSTANCE: invention relates to metallurgy, namely to nickel-based cast heat-resistant alloys, and can be used for the manufacture of castings, for example, working and nozzle blades of gas turbine engines with an equiaxed structure operating at high temperatures and stresses. Cast high-temperature nickel-based alloy contains, wt. %: carbon up to 0.15; chromium 12.0-16.0; cobalt 12.0-16.0; molybdenum 3.0-5.0; aluminum 4.0-5.0; titanium 3.0-4.0; boron up to 0.05; zirconium up to 0.05; silicon up to 0.20; manganese up to 0.15; at least one element from the group: magnesium, calcium and barium up to 0.10; at least one element from the group: at least one element from the group: cerium, praseodymium and neodymium up to 0.10; nickel - the rest. EFFECT: increase in mechanical properties, long-term strength with simultaneous increase in resistance to high-temperature gas corrosion (heat resistance), as well as increase in the structural stability of the alloy for a resource.

Предлагаемое изобретение относится к композиции литейного жаропрочного сплава на основе никеля, предназначенного для изготовления отливок, например, рабочих и сопловых лопаток газотурбинных двигателей с равноосной структурой, работающих в условиях высоких температур и напряжений.The present invention relates to a nickel-based cast superalloy composition intended for the manufacture of castings, for example, working and nozzle blades of gas turbine engines with an equiaxed structure operating under conditions of high temperatures and stresses.

Известен «Литейный жаропрочный сплав на основе никеля» (Патент RU №2153020 (С22С 19/05) 2000) следующего химического состава, мас. %:Known "Cast heat-resistant nickel-based alloy" (Patent RU No. 2153020 (C22C 19/05) 2000) of the following chemical composition, wt. %:

Сплав отличается пониженной жаропрочностью и структурной стабильностью при длительной работе, связанной с выпадением охрупчивающей σ-фазы, которая существенно понижает жаропрочность сплава, а также пониженной стойкостью к газовой коррозии.The alloy is characterized by reduced heat resistance and structural stability during long-term operation, associated with the precipitation of an embrittling σ-phase, which significantly reduces the heat resistance of the alloy, as well as reduced resistance to gas corrosion.

Известен литейный жаропрочный сплав IN-731 (см. книгу "Суперсплавы II: Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок" /Под ред. Симса Ч.Т., Столоффа Н.С.. Хагеля У.К.: Пер. с англ. В 2-х книгах. Кн. 2. /Под ред. Шалина Р.Е. - М.: Металлургия, 1995. - 384 с.) следующего химического состава, мас. %:Known casting high-temperature alloy IN-731 (see the book "Superalloys II: High-temperature materials for aerospace and industrial power plants" /Edited by Sims Ch.T., Stoloff N.S.. Hagel W.K.: Per. In 2 books, Book 2. / Under the editorship of Shalin RE - M.: Metallurgy, 1995. - 384 pp.) of the following chemical composition, wt. %:

Сплав имеет пониженную структурную стабильность (в нем выделяется -4-5% охрупчивающей σ-фазы) и склонен к деформационному разупрочнению в процессе наработки. Оба этих фактора снижают пластичность сплава и, как следствие, приводят к понижению характеристик выносливости и преждевременному разрушению изделийThe alloy has a reduced structural stability (-4-5% of the embrittling σ-phase is released in it) and is prone to deformation softening in the process of operating time. Both of these factors reduce the ductility of the alloy and, as a result, lead to a decrease in endurance characteristics and premature failure of products.

Наиболее близким по технической сущности является жаропрочный сплав на основе никеля Rene 77 для литья с равноосной структурой интегральных колес ТКР и рабочих лопаток (сб. Superalloys, A Technical Guide, стр. 36, 1988). Известный сплав содержит следующее соотношение компонентов, мас. %:The closest in technical essence is a nickel-based heat-resistant alloy Rene 77 for casting with an equiaxed structure of the integral TKR wheels and rotor blades (Sat. Superalloys, A Technical Guide, p. 36, 1988). Known alloy contains the following ratio, wt. %:

Однако данный сплав при достаточно высоких показателях жаропрочности и пониженной плотности имеет умеренною коррозионную стойкость. Сплав имеет пониженную структурную стабильность на ресурс (в нем выделяется 3-4% охрупчивающей σ-фазы) и склонен к деформационному старению с значительным снижением пластичности.However, this alloy, with sufficiently high heat resistance and low density, has moderate corrosion resistance. The alloy has a reduced structural stability per resource (3-4% of the embrittling σ-phase is released in it) and is prone to strain aging with a significant decrease in ductility.

Предлагается жаропрочный литейный сплав на основе никеля, содержащий компоненты в следующем соотношении, мас. %:We offer a nickel-based heat-resistant cast alloy containing components in the following ratio, wt. %:

Предлагаемый сплав отличается от прототипа тем, что он дополнительно содержит, по меньшей мере, один элемент из группы: магний, кальций и барий, по меньшей мере, один элемент из группы: церий, празеодим и неодим при следующем соотношении компонентов, мас. %:The proposed alloy differs from the prototype in that it additionally contains at least one element from the group: magnesium, calcium and barium, at least one element from the group: cerium, praseodymium and neodymium in the following ratio, wt. %:

Задачей предложенного изобретения является разработка литейного жаропрочного сплава на основе никеля с улучшенным сочетанием служебных свойств.The objective of the proposed invention is to develop a nickel-based cast heat-resistant alloy with an improved combination of service properties.

Технический результат - повышение механических свойств, длительной прочности с одновременным повышением стойкости к высокотемпературной газовой коррозии (жаростойкости), а также повышение структурной стабильности сплава на ресурс.The technical result is an increase in mechanical properties, long-term strength with a simultaneous increase in resistance to high-temperature gas corrosion (heat resistance), as well as an increase in the structural stability of the alloy for a resource.

Это достигается за счет того, что предлагаемая композиция обеспечивает повышение механических свойств и стойкости сплава к высокотемпературной газовой коррозии. Установлено, что введение в сплав по меньшей мере одного редкоземельного металла (РЗМ) из церпевой группы: церий, празеодим и неодим, в заданных количествах создают защитный барьерный слой на поверхности металла за счет их окисления и тем самым тормозят диффузионные потоки ионов кислорода с поверхности вглубь металла.This is achieved due to the fact that the proposed composition provides an increase in the mechanical properties and resistance of the alloy to high-temperature gas corrosion. It has been established that the introduction of at least one rare-earth metal (REM) from the cerpe group into the alloy: cerium, praseodymium and neodymium, in given amounts, creates a protective barrier layer on the metal surface due to their oxidation and thereby inhibits the diffusion fluxes of oxygen ions from the surface to the depths. metal.

Сбалансированное сочетание легирующих элементов наряду с введением в сплав РЗМ позволяют повысить структурную стабильность сплава на ресурс за счет замедления диффузионных процессов при высокотемпературной ползучести и исключения появления в процессе наработки охрупчивающих фаз.A balanced combination of alloying elements, along with the introduction of rare-earth metals into the alloy, makes it possible to increase the structural stability of the alloy for a resource by slowing down diffusion processes during high-temperature creep and eliminating the appearance of embrittling phases during the development.

Кроме того, введение по меньшей мере одного щелочноземельного элемента из группы: магний, кальций и барий в расплав перед присадкой РЗМ (церия, празеодима и неодима) позволяет повысить и стабилизировать степень усвоения этих элементов, что повышает структурную стабильность сплава на ресурс.In addition, the introduction of at least one alkaline earth element from the group: magnesium, calcium and barium into the melt before the addition of REM (cerium, praseodymium and neodymium) allows you to increase and stabilize the degree of assimilation of these elements, which increases the structural stability of the alloy for a resource.

Также предложено изделие, выполненное из данного сплава.A product made of this alloy is also proposed.

Пример осуществления.Implementation example.

В вакуумной индукционной печи был изготовлен и опробован литейный жаропрочный сплав предлагаемого состава, мас. %:In a vacuum induction furnace, a cast heat-resistant alloy of the proposed composition was manufactured and tested, wt. %:

Также был получен сплав по составу - прототипу.Was also obtained alloy composition - the prototype.

Механические свойства при 20°С и при рабочей температуре 870°С предлагаемого сплава и сплава - прототипа определены по стандартным методикам испытания и представлены в таблице 1.Mechanical properties at 20°C and at an operating temperature of 870°C of the proposed alloy and prototype alloy are determined by standard test methods and are presented in table 1.

Таким образом, предел прочности, предел текучести и относительное сужение у сплава предлагаемого состава имеет более высокий уровень, чем у прототипа.Thus, the tensile strength, yield strength and relative narrowing of the alloy of the proposed composition has a higher level than that of the prototype.

Долговечность предлагаемого сплава (39 часов) при испытаниях па длительную прочность (температура - 980°С, напряжение = 150 Н/мм²) заметно превосходит долговечность сплава - прототипа (20 часов), т.е. предлагаемый сплав обладает более высоким уровнем жаропрочности.The durability of the proposed alloy (39 hours) when tested for long-term strength (temperature - 980°C, stress = 150 N/mm ² ) significantly exceeds the durability of the prototype alloy (20 hours), i.e. the proposed alloy has a higher level of heat resistance.

Таким образом, предлагаемый сплав существенно превосходит сплав-прототип по результатам испытаний, что позволяет повысить ресурс работы и надежность изделий газотурбинных двигателей и установок, длительно работающих в агрессивных средах при повышенных температурах и напряжениях.Thus, the proposed alloy significantly exceeds the prototype alloy according to the test results, which allows to increase the service life and reliability of products of gas turbine engines and installations that operate for a long time in aggressive environments at elevated temperatures and stresses.

Claims

1. Cast nickel-based heat-resistant alloy containing carbon, chromium, cobalt, molybdenum, aluminum, titanium, boron, zirconium, silicon and manganese, characterized in that it additionally contains at least one element from the group: magnesium, calcium and barium , at least one element from the group: cerium, praseodymium and neodymium in the following ratio of components, wt.%:

carbon up to 0.15 chromium 12.0-16.0 cobalt 12.0-16.0 molybdenum 3.0-5.0 aluminum 4.0-5.0 titanium 3.0-4.0 boron up to 0.05 zirconium up to 0.05 silicon up to 0.20 manganese up to 0.15 at least one element from the group: magnesium, calcium and barium up to 0.10 at least one element from the group: cerium, praseodymium and neodymium up to 0.10 nickel rest

2. Casting from nickel-based heat-resistant casting alloy for the manufacture of working and nozzle blades of a gas turbine engine, characterized in that it is made of an alloy according to claim 1.