RU2766197C1

RU2766197C1 - Литейный жаропрочный сплав на никелевой основе и изделие, выполненное из него

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

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 никелевой основе 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: церий, празеодим и неодим до 0,10, никель - остальное. Из сплава может быть изготовлена отливка для изготовления рабочих и сопловых лопаток газотурбинного двигателя. Обеспечивается повышение механических свойств, длительной прочности с одновременным повышением стойкости к высокотемпературной газовой коррозии (жаростойкости), а также повышение структурной стабильности сплава на ресурс. 2 н.п. ф-лы, 1 табл.

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.

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.

Известен «Литейный жаропрочный сплав на основе никеля» (Патент RU №2153020 (С22С 19/05) 2000) следующего химического состава, мас. %:

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.

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. %:

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 изделий

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. %:

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.

Предлагается жаропрочный литейный сплав на основе никеля, содержащий компоненты в следующем соотношении, мас. %:

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. %:

Задачей предложенного изобретения является разработка литейного жаропрочного сплава на основе никеля с улучшенным сочетанием служебных свойств.

Технический результат - повышение механических свойств, длительной прочности с одновременным повышением стойкости к высокотемпературной газовой коррозии (жаростойкости), а также повышение структурной стабильности сплава на ресурс.

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.

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.

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.

Также предложено изделие, выполненное из данного сплава.

Пример осуществления.

В вакуумной индукционной печи был изготовлен и опробован литейный жаропрочный сплав предлагаемого состава, мас. %:

Также был получен сплав по составу - прототипу.

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.

Таким образом, предел прочности, предел текучести и относительное сужение у сплава предлагаемого состава имеет более высокий уровень, чем у прототипа.

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.

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.

Claims

1. Литейный жаропрочный сплав на никелевой основе, содержащий углерод, хром, кобальт, молибден, алюминий, титан, бор, цирконий, кремний и марганец, отличающийся 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.%:

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: церий, празеодим и неодим до 0,10 никель остальное

2. Отливка из литейного жаропрочного сплава на никелевой основе для изготовления рабочих и сопловых лопаток газотурбинного двигателя, отличающаяся тем, что она выполнена из сплава по п. 1.