RU2026399C1 - Monocrystal heat-resistant nickel alloy with low density - Google Patents
Monocrystal heat-resistant nickel alloy with low density Download PDFInfo
- Publication number
- RU2026399C1 RU2026399C1 SU4892565A RU2026399C1 RU 2026399 C1 RU2026399 C1 RU 2026399C1 SU 4892565 A SU4892565 A SU 4892565A RU 2026399 C1 RU2026399 C1 RU 2026399C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- alloy
- heat resistance
- specific heat
- low density
- monocrystal
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к металлургии, а именно к изысканию жаропрочного сплава на никелевой основе для изготовления монокристальных деталей газовых турбин с рабочими температурами до 1100оС, отлитых преимущественно с кристаллографической ориентацией [001].The invention relates to metallurgy, in particular to finding heat resistant nickel-based alloy for manufacturing single crystal gas turbine parts with operating temperatures up to 1100 C, preferably molded with the crystallographic orientation of [001].
Известны монокристальные жаропрочные никелевые сплавы с малой ( 8,4 г/см3) плотностью, например: сплав [1] следующего состава, мас.%: Хром 7,0-13,0 Алюминий 5,0-7,0 Титан 2,0-5,0 Кобальт 4,0-16,0 Молибден и(или) 1,0-4,0 Рений Ванадий 0-2,0 Углерод 0-0,05 Никель Остальное сплав [2] следующего состава, мас.%: Хром 9,5-10,3 Кобальт 4,7-5,3 Молибден 2,8-3,2 Алюминий 4,7-4,9 Титан 4,6-4,8 Тантал 1,8-2,2 Вольфрам 0,1 мах Углерод 150 ppm max Бор 50 ppm max Цирконий 100 ppm max Гафний 0-0,12 Алюминий + титан 9,3-9,7 Никель Остальное
Однако указанные сплавы обладают недостаточной удельной жаропрочностью, что объясняется не полностью скомпенсированным химическим составом сплавов.Known single-crystal heat-resistant nickel alloys with low (8.4 g / cm 3 ) density, for example: alloy [1] of the following composition, wt.%: Chrome 7.0-13.0 Aluminum 5.0-7.0 Titanium 2, 0-5.0 Cobalt 4.0-16.0 Molybdenum and (or) 1.0-4.0 Rhenium Vanadium 0-2.0 Carbon 0-0.05 Nickel Other alloy [2] of the following composition, wt.% : Chromium 9.5-10.3 Cobalt 4.7-5.3 Molybdenum 2.8-3.2 Aluminum 4.7-4.9 Titanium 4.6-4.8 Tantalum 1.8-2.2 Tungsten 0.1 max Carbon 150 ppm max Boron 50 ppm max Zirconium 100 ppm max Hafnium 0-0.12 Aluminum + titanium 9.3-9.7 Nickel Else
However, these alloys have insufficient specific heat resistance, which is explained by the incompletely compensated chemical composition of the alloys.
Наиболее близким к предлагаемому сплаву является монокристальный жаропрочный никелевый сплав с малой плотностью. Сплав [3] имеет следующий химический состав, мас.%: Кобальт 5,0-7,0 Вольфрам 3,0-5,0 Ниобий 0-0,5 Хром 5,0-10,0 Алюминий 6,0-7,5 Тантал 2,0-4,0 Молибден 0,5-2,5 Титан 1,5-2,25 Ванадий 0,3-0,6 Никель Остальное при соблюдении соотношения
S1 = 0,5W + Ta + Mo
S2 = Al + Ti + Ta + Nb + V, при этом 4 ≅ S1 ≅ 9, предпочтительно 5,5 ≅ S1 ≅ 9 мас.%, 14,9 ≅ S2 ≅ 20,6 ат.%, предпочтительно 16,5 ≅ S2 ≅ 18,5 ат.%.Closest to the proposed alloy is a single-crystal, heat-resistant nickel alloy with a low density. Alloy [3] has the following chemical composition, wt.%: Cobalt 5.0-7.0 Tungsten 3.0-5.0 Niobium 0-0.5 Chromium 5.0-10.0 Aluminum 6.0-7, 5 Tantalum 2.0-4.0 Molybdenum 0.5-2.5 Titanium 1.5-2.25 Vanadium 0.3-0.6 Nickel The rest, subject to the ratio
S 1 = 0.5W + Ta + Mo
S 2 = Al + Ti + Ta + Nb + V, with 4 ≅ S 1 ≅ 9, preferably 5.5 ≅ S 1 ≅ 9 wt.%, 14.9 ≅ S 2 ≅ 20.6 at.%, Preferably 16.5 ≅ S 2 ≅ 18.5 at.%.
Этот сплав также применяется для изготовления монокристальных деталей ГТД и обладает более высокой удельной жаропрочностью. Он имеет следующую удельную жаропрочность при 1000оС за 500 ч: σ
Целью изобретения является повышение удельной жаропрочности материала изделий, работающего в условиях концентрации напряжений при сохранении уровня удельной жаропрочности. Поставленная цель достигается тем, что монокристальный жаропрочный никелевый сплав с малой плотностью, содержащий кобальт, хром, титан, алюминий, вольфрам, молибден, ниобий, тантал, согласно изобретению содержит указанные компоненты в следующем соотношении, мас.%: Кобальт 4,8-7,0 Хром 4,8-7,0 Титан 1,8-4,2 Алюминий 5,2-5,8 Вольфрам 2,0-5,2 Молибден 1,8-4,2 Ниобий 0,4-1,0 Тантал 0,001-4,2 Никель Остальное при соблюдении условия
12,3 ≅ Cr + 0,5Mo + 0,25W + Al≅ 14,7.The aim of the invention is to increase the specific heat resistance of the material of products operating in conditions of concentration of stresses while maintaining the level of specific heat resistance. This goal is achieved in that a single-crystal heat-resistant nickel alloy with low density, containing cobalt, chromium, titanium, aluminum, tungsten, molybdenum, niobium, tantalum, according to the invention contains these components in the following ratio, wt.%: Cobalt 4.8-7 Chromium 4.8-7.0 Titanium 1.8-4.2 Aluminum 5.2-5.8 Tungsten 2.0-5.2 Molybdenum 1.8-4.2 Niobium 0.4-1.0 Tantalum 0.001-4.2 Nickel Remaining subject to conditions
12.3 ≅ Cr + 0.5Mo + 0.25W + Al≅ 14.7.
Изменение состава сплава и ограничение суммы элементов: как γI-образующего (алюминия), так и элементов, ответственных за склонность к образованию в условиях длительной наработки при высоких температурах топологически плотноупакованных (ТПУ)-фаз (хрома, молибдена, вольфрама) приводит к высокой термической стабильности сплава при регламентации его плотности и сохранении высокого упрочняющего эффекта от выделений вторичной γI -фазы. Подобный положительный эффект достигается благодаря скомпенсированному химическому составу сплава, способствующему выделению γI -и γ -фаз таких составов, при которых, во-первых, в процессе длительного действия статических нагрузок при высоких рабочих температурах твердый раствор остается стабильным (без образования ТПУ-фаз: σ - и μ -фаз), а, во-вторых, частицы упрочняющей γI-фазы имеют оптимальную кубоидную морфологию, обусловленную положительным несоответствием параметров решеток γ - и γI -фаз.Changing the composition of the alloy and limiting the sum of the elements: both the γ I- forming (aluminum) and the elements responsible for the tendency to form topologically close-packed (TPU) phases (chromium, molybdenum, tungsten) under conditions of prolonged use at high temperatures thermal stability of the alloy while regulating its density and maintaining a high hardening effect from the precipitation of the secondary γ I phase. Such a positive effect is achieved due to the compensated chemical composition of the alloy, which contributes to the release of γ I and γ phases of such compositions in which, firstly, during the long-term action of static loads at high operating temperatures, the solid solution remains stable (without the formation of TPU phases: σ and μ phases), and, secondly, particles of the strengthening γ I phase have an optimal cuboid morphology due to the positive mismatch of the lattice parameters of the γ and γ I phases.
Изменение химического состава сплава и регламентация суммарного содержания указанных элементов являются существенным, так как отсутствуют в известных технических решениях и дают положительный эффект. Changes in the chemical composition of the alloy and regulation of the total content of these elements are significant, as they are absent in the known technical solutions and give a positive effect.
При нарушении заявляемого соотношения элементов и несоблюдении указанных условий происходит либо выделение ТПУ-фаз, имеющих морфологию пластин (в сечении шлифа-игл), либо снижение удельной жаропрочности. Сплав при наличии пластин ТПУ-фаз, являющихся концентраторами напряжений, становится чувствительным к внешним надрезам и др. концентраторам напряжений, таким, как, например, штырьки, перемычки и др. элементы внутренней полости охлаждаемой рабочей лопатки или зуб замка лопатки. Кроме того, в результате протекания диффузионного массопереноса, имеющего место в случае образования в процессе наработки избыточных ТПУ-фаз, снижается также и удельная жаропрочность сплава вследствие его термической нестабильности. In violation of the claimed ratio of elements and non-observance of these conditions, either TPU phases having plate morphology (in the cross section of thin sections-needles) are released, or the specific heat resistance decreases. The alloy in the presence of plates of TPU phases, which are stress concentrators, becomes sensitive to external notches and other stress concentrators, such as, for example, pins, jumpers, and other elements of the internal cavity of a cooled working blade or tooth of a blade lock. In addition, as a result of the diffusion mass transfer occurring in the case of the formation of excess TPU phases during production, the specific heat resistance of the alloy also decreases due to its thermal instability.
Несоблюдение соотношения между компонентами может также привести к увеличению плотности сплава и, как следствие, к снижению его удельной жаропрочности. Failure to comply with the ratio between the components can also lead to an increase in the density of the alloy and, as a consequence, to a decrease in its specific heat resistance.
П р и м е р. Предлагаемый сплав выплавляли в вакуумно-индукционной печи при разрежении 10-2-102-3 мм рт., а затем переплавляли в печи для направленной кристаллизации с применением затравок с кристаллографической ориентацией [001]. Аналогично выплавляли сплав-прототип. Было выплавлено 9 плавок и 1 плавка сплава-прототипа. Химический состав плавок и их свойства приведены в таблице (составы 1-4 - предлагаемые; составы 5-9 - запредельные; состав 10 - прототип).PRI me R. The proposed alloy was smelted in a vacuum induction furnace with a vacuum of 10 -2 -10 2-3 mm RT. And then smelted in a furnace for directional crystallization using seeds with a crystallographic orientation [001]. Similarly, the prototype alloy was smelted. It was smelted 9 heats and 1 melt alloy prototype. The chemical composition of the swimming trunks and their properties are shown in the table (compositions 1-4 are proposed; compositions 5-9 are beyond;
Принятые в таблице условные обозначения:
S, мас.% = Cr + 0,5Mo + 0,25W + Al;
σ500 гл, МПа - предел длительной прочности гладких образцов на базе 500 ч при Тиспытания = 1000оС;
σ500 н, МПа - предел длительной прочности при аналогичных условиях испытания образцов с надрезом (теоретический коэффициент концентрации напряжений α = 3,75; параметры V-образного кольцевого надреза: h - глубина надреза равна 1 мм; φ - угол раскрытия надреза равен ; r - радиус в вершине надреза равен 0,15 мм);
ρ , г/см3 - плотность сплава,
σуд гл и σуд н, м - удельная жаропрочность при 1000оС на базе 500 ч соответственно гладких образцов и образцов с надрезом,
K = - прочностной коэффициент.The conventions adopted in the table:
S, wt.% = Cr + 0.5Mo + 0.25W + Al;
σ 500 hl , MPa - ultimate strength of smooth samples on the basis of 500 h at T test = 1000 о С;
σ 500 n , MPa — ultimate strength under similar conditions for testing notched specimens (theoretical stress concentration coefficient α = 3.75; parameters of a V-shaped annular notch: h — notch depth equal to 1 mm; φ — notch opening angle equal to ; r is the radius at the top of the notch is 0.15 mm);
ρ, g / cm 3 - density of the alloy,
σ bead hl and σ bead n , m — specific heat resistance at 1000 о С on the basis of 500 h, respectively, of smooth and notched specimens,
K = - strength coefficient.
Как следует из результатов испытаний, приведенных в таблице, максимальная удельная жаропрочность и жаропрочность в условиях концентрации напряжений достигаются лишь в тех случаях, когда содержание легирующих элементов и сумма S находятся в заявляемых пределах (примеры 1-4). При этом отсутствуют игольчатые выделения ТПУ-фаз, выделения γI-фазы имеют кубоидную морфологию, что наряду с низкой плотностью сплава ведет к его достаточно высокой удельной жаропрочности.As follows from the test results shown in the table, the maximum specific heat resistance and heat resistance under stress concentration conditions are achieved only in those cases when the content of alloying elements and the sum S are within the claimed limits (examples 1-4). In this case, there are no needle precipitates of TPU phases, precipitates of the γ I phase have cuboid morphology, which, along with the low density of the alloy, leads to its rather high specific heat resistance.
Из сопоставления данных таблицы следует, что повышение уровня жаропрочности в условиях концентрации напряжений (образцов с надрезом) при сохранении уровня удельной жаропрочности существенно зависит от суммы S: при превышении указанной суммы в структуре сплава наблюдается выделения ТПУ-фаз ( σ, μ -фаз), приводящих к снижению удельной жаропрочности в условиях концентрации напряжений и снижению Kσ (примеры 6, 7 и 10); если сумма S имеет значения менее указанных пределов, а при соответствии S содержание легирующих компонентов в целом не соответствует указанным, то происходит снижение уровня удельной жаропрочности (примеры 5, 8 и 9).From a comparison of the table it follows that an increase in the level of heat resistance under stress concentration conditions (notched specimens) while maintaining the level of specific heat resistance substantially depends on the sum S: when this amount is exceeded, precipitation of TPU phases (σ, μ phases) is observed in the alloy structure, leading to a decrease in specific heat resistance under stress concentration conditions and a decrease in K σ (examples 6, 7, and 10); if the sum S has values less than the specified limits, and if S is consistent, the content of the alloying components generally does not match the specified ones, then the specific heat resistance decreases (examples 5, 8 and 9).
Таким образом, предлагаемый сплав обладает более высокой удельной жаропрочностью в условиях концентрации напряжений и длительной наработки в составе реальных изделий сложной конфигурации. Этот прирост составляет 7,8-16,4%, что дает возможность весьма значительно повысить ресурс изделий. Учитывая, что жаропрочные сплавы с малой плотностью наиболее эффективно использовались для деталей ответственного назначения современных и перспективных двигателей летальных аппаратов, повышение удельной жаропрочности и снижение чувствительности к концентрации напряжений кардинально решает проблему повышения их надежности и ресурса. Thus, the proposed alloy has a higher specific heat resistance in the conditions of concentration of stresses and long operating time in the composition of real products of complex configuration. This increase is 7.8-16.4%, which makes it possible to significantly increase the resource of products. Considering that heat-resistant alloys with low density were most effectively used for critical parts of modern and advanced aircraft engines, increasing the specific heat resistance and lowering the sensitivity to stress concentration radically solves the problem of increasing their reliability and resource.
Claims (1)
Кобальт - 4,8 - 7,0
Хром - 4,8 - 7,0
Титан - 1,8 - 4,2
Алюминий - 5,2 - 5,8
Вольфрам - 2,0 - 5,2
Молибден - 1,8 - 4,2
Ниобий - 0,4 - 1,0
Тантал - 0,001 - 4,2
Никель - Остальное
и при соблюдении условия
12,3 ≅ Cr + 0,5 Mo + 0,25 W + Al≅ 14,7.MONOCRYSTAL HEAT-RESISTANT NICKEL NICKEL ALLOY WITH LOW DENSITY, containing cobalt, chromium, titanium, aluminum, tungsten, molybdenum, niobium, tantalum, characterized in that, in order to increase the specific heat resistance under stress concentration conditions, while maintaining the level of specific heat resistance the alloy contains the following ratio, wt.%:
Cobalt - 4.8 - 7.0
Chrome - 4.8 - 7.0
Titanium - 1.8 - 4.2
Aluminum - 5.2 - 5.8
Tungsten - 2.0 - 5.2
Molybdenum - 1.8 - 4.2
Niobium - 0.4 - 1.0
Tantalum - 0.001 - 4.2
Nickel - Other
and subject to the conditions
12.3 ≅ Cr + 0.5 Mo + 0.25 W + Al≅ 14.7.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU4892565 RU2026399C1 (en) | 1990-10-31 | 1990-10-31 | Monocrystal heat-resistant nickel alloy with low density |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU4892565 RU2026399C1 (en) | 1990-10-31 | 1990-10-31 | Monocrystal heat-resistant nickel alloy with low density |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2026399C1 true RU2026399C1 (en) | 1995-01-09 |
Family
ID=21550975
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU4892565 RU2026399C1 (en) | 1990-10-31 | 1990-10-31 | Monocrystal heat-resistant nickel alloy with low density |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2026399C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2518838C2 (en) * | 2009-08-10 | 2014-06-10 | АйЭйчАй КОРПОРЕЙШН | MONOCRYSTALLINE Ni-BASED SUPERALLOY AND TURBINE BLADE |
-
1990
- 1990-10-31 RU SU4892565 patent/RU2026399C1/en active
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
1. Патент США N 4721540, кл. 148/404, 26.01.88. * |
2. Патент США N 4788915, кл. 148/404, 18.12.84. * |
3. Заявка ЕПВ 0143694, кл. C 30B 11/00, 05.06.86. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2518838C2 (en) * | 2009-08-10 | 2014-06-10 | АйЭйчАй КОРПОРЕЙШН | MONOCRYSTALLINE Ni-BASED SUPERALLOY AND TURBINE BLADE |
US9932657B2 (en) | 2009-08-10 | 2018-04-03 | Ihi Corporation | Method of making a Ni—based single crystal superalloy and turbine blade incorporating same |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP0208645B1 (en) | Advanced high strength single crystal superalloy compositions | |
US4116723A (en) | Heat treated superalloy single crystal article and process | |
US6051083A (en) | High strength Ni-base superalloy for directionally solidified castings | |
US4209348A (en) | Heat treated superalloy single crystal article and process | |
US4222794A (en) | Single crystal nickel superalloy | |
RU2415190C2 (en) | MONO-CRYSTAL SUPER-ALLOY ON BASE OF Ni | |
JP4036091B2 (en) | Nickel-base heat-resistant alloy and gas turbine blade | |
RU2415959C1 (en) | MONO-CRYSTAL SUPER-ALLOY ON BASE OF Ni AND TURBINE BLADE CONTAINING IT | |
US4853044A (en) | Alloy suitable for making single crystal castings | |
US9816161B2 (en) | Ni-based single crystal superalloy | |
RU2295585C2 (en) | High-strength nickel-based superalloy resistant to high-temperature corrosion and oxidation, and directionally solidified product of this superalloy | |
US20020104594A1 (en) | Niobium-silicide based composites resistant to high temperature oxidation | |
US5167732A (en) | Nickel aluminide base single crystal alloys | |
US4597809A (en) | High strength hot corrosion resistant single crystals containing tantalum carbide | |
US4082581A (en) | Nickel-base superalloy | |
RU2026399C1 (en) | Monocrystal heat-resistant nickel alloy with low density | |
RU2525952C2 (en) | Nickel-based heat-resistant alloy | |
US4802934A (en) | Single-crystal Ni-based super-heat-resistant alloy | |
GB1592237A (en) | Heat treated superalloy single crystal article and process | |
EP0053948B1 (en) | Nickel-chromium-cobalt base alloys and castings thereof | |
WO2019193630A1 (en) | Ni group superalloy casting material and ni group superalloy product using same | |
US20070044869A1 (en) | Nickel-base superalloy | |
JPH05505426A (en) | Nickel alloy for casting | |
US4976791A (en) | Heat resistant single crystal nickel-base super alloy | |
EP0561179A2 (en) | Gas turbine blade alloy |