RU2112069C1

RU2112069C1 - Nickel-base cast high-temperature alloy

Info

Publication number: RU2112069C1
Application number: RU96112046A
Authority: RU
Inventors: А.Г. Копылов; В.А. Дубровский
Original assignee: Акционерное общество открытого типа "Пермские моторы"
Priority date: 1996-06-14
Filing date: 1996-06-14
Publication date: 1998-05-27

Abstract

FIELD: metallurgy, particular, nickel-base alloys applicable in facing of parts operating under severe conditions at high-temperature fretting corrosion and sulfide corrosion, for instance, facing of contact surfaces of working nozzle vanes of stationary gas turbines of gas-turbine plants. SUBSTANCE: the offered alloy contains, wt.%: carbon 0.06-0.12; chromium 15.0-16.7; cobalt 10.0-11.5; molybdenum 2.55-3.20; tungsten 4.5-6.0; aluminium 2.4-3.2; titanium 4.2-5.0; yttrium 0.05; boron 0.02; zirconium 0.05; niobium 4.2-5.0; sulfur 0.008; phosphorus 0.008; manganese 0.30; silicon 0.30; iron 0.5; copper 0.07; nitrogen 0.01; bismuth 0.00005; lead 0.001; antimony 0.0005; arsenic 0.0005; the balance, nickel. EFFECT: increased initial hardness of alloy with preservation of resistance to sulfide corrosion of alloy in operation under conditions of high temperatures. 3 tbl

Description

Изобретение относится к металлургии, в частности к сплавам на основе никеля, используемым для наплавки на детали, работающие в жестких условиях при высокотемпературной фреттинг-коррозии и сульфидной коррозии, например на контактные поверхности рабочих и сопловых лопаток стационарных газовых турбин газотурбинных установок (ГТУ). The invention relates to metallurgy, in particular to nickel-based alloys used for surfacing on parts operating in harsh conditions under high-temperature fretting corrosion and sulfide corrosion, for example, on the contact surfaces of working and nozzle blades of stationary gas turbines of gas turbine units (GTU).

Известно, что никелевые жаропрочные коррозионно-стойкие сплавы содержат в своем составе 11 - 16 важных составляющих элементов в тщательно контролируемых количествах, которые при различном их сочетании придают сплавам самые разнообразные свойства. Длительная работоспособность сплава определяется в первую очередь его химическим составом и связана с устойчивостью и стабильностью его фазовых составляющих γ-фазы, γ′-фазы и карбидов, которые придают деталям их этих сплавов важные технологические свойства - твердость, высокую жаропрочность и термическую стойкость от окисления при высоких температурах. It is known that nickel heat-resistant corrosion-resistant alloys contain 11 to 16 important constituent elements in carefully controlled quantities, which, given their different combinations, give the alloys a wide variety of properties. The long working life of an alloy is determined primarily by its chemical composition and is associated with the stability and stability of its phase components of the γ-phase, γ′-phase and carbides, which give the details of these alloys important technological properties - hardness, high heat resistance and thermal resistance to oxidation under high temperatures.

Известен литейный сплав на основе никеля (авт. св. СССР N 809902, кл. C 22 C 19/05, 1979), содержащий хром, молибден, вольфрам, титан, алюминий, кобальт, бор, цирконий, церий, иттрий, ниобий, тантал и барий, применяемый для отливки лопаток газотурбинных двигателей (ГТД), работающих в условиях высоких температур при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Хром - 15 - 17
Молибден - 1,5 - 3
Вольфрам - 3,5 - 5
Титан - 5 - 6
Алюминий - 2,5 - 3,5
Кобальт - 12 - 16
Бор - 0,02 - 0,05
Цирконий - 0,01 - 0,3
Церий - 0,02 - 0,1
Иттрий - 0,05 - 0,3
Ниобий - 0,5 - 2,5
Тантал - 0,05 - 1,5
Барий - 0,01 - 0,3
Никель - Остальное
Сплав обладает повышенной длительной прочностью и жаростойкостью до 900^oC. Однако он имеет низкую стойкость наплавленного металла против образования горячих трещин, пониженную исходную твердость и фреттингостойкость контактных поверхностей бандажных полок лопаток турбины ГТД.Known casting alloy based on Nickel (ed. St. USSR N 809902, class C 22 C 19/05, 1979) containing chromium, molybdenum, tungsten, titanium, aluminum, cobalt, boron, zirconium, cerium, yttrium, niobium, tantalum and barium, used for casting blades of gas turbine engines (GTE), operating at high temperatures with the following ratio of components, wt.%:
Chrome - 15 - 17
Molybdenum - 1.5 - 3
Tungsten - 3.5 - 5
Titanium - 5 - 6
Aluminum - 2.5 - 3.5
Cobalt - 12 - 16
Boron - 0.02 - 0.05
Zirconium - 0.01 - 0.3
Cerium - 0.02 - 0.1
Yttrium - 0.05 - 0.3
Niobium - 0.5 - 2.5
Tantalum - 0.05 - 1.5
Barium - 0.01 - 0.3
Nickel - Other
The alloy has increased long-term strength and heat resistance up to 900 ^o C. However, it has a low resistance of the deposited metal against the formation of hot cracks, reduced initial hardness and fretting resistance of the contact surfaces of the retaining shelves of the blades of the turbine engine turbine.

Наиболее близким к предлагаемому является литейный жаропрочный никелевый сплав марки ХН 58 КВТЮМБЛ-ВИ (ЧС70 - ВИ) вакуумной выплавки согласно ТУ 14-1-3658-83, содержащий углерод, хром, кобальт, молибден, вольфрам, алюминий, титан, иттрий, бор, цирконий, ниобий, серу, фосфор, марганец, кремний, железо, медь, азот, висмут, свинец, сурьму и мышьяк при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,06 - 0,12
Хром - 15,0 - 16,7
Кобальт - 10,0 - 11,5
Молибден - 1,5 - 2,5
Вольфрам - 4,5 - 6,0
Алюминий - 2,4 - 3,2
Титан - 4,2 - 5,0
Иттрий - 0,05
Бор - 0,2
Цирконий - 0,05
Ниобий - 0,1 - 0,3
Сера - 0,008
Фосфор - 0,008
Марганец - 0,30
Кремний - 0,30
Железо - 0,5
Медь - 0,07
Азот - 0,01
Висмут - 0,00005
Свинец - 0,001
Сурьма - 0,0005
Мышьяк - 0,0005
Никель - Остальное
Из данного сплава по выплавляемым моделям вакуумным способом отливают лопатки турбины для наземных ГТД, которые имеют высокие эксплуатационные свойства, в частности высокую стойкость к сульфидной коррозии и термическую стойкость от окисления при высоких температурах.Closest to the proposed is a heat-resistant casting nickel alloy brand ХН 58 КВТЮББЛ-ВИ (ЧС70 - ВИ) of vacuum smelting according to TU 14-1-3658-83, containing carbon, chromium, cobalt, molybdenum, tungsten, aluminum, titanium, yttrium, boron , zirconium, niobium, sulfur, phosphorus, manganese, silicon, iron, copper, nitrogen, bismuth, lead, antimony and arsenic in the following ratio of components, wt.%:
Carbon - 0.06 - 0.12
Chrome - 15.0 - 16.7
Cobalt - 10.0 - 11.5
Molybdenum - 1.5 - 2.5
Tungsten - 4.5 - 6.0
Aluminum - 2.4 - 3.2
Titanium - 4.2 - 5.0
Yttrium - 0.05
Boron - 0.2
Zirconium - 0.05
Niobium - 0.1 - 0.3
Sulfur - 0.008
Phosphorus - 0.008
Manganese - 0.30
Silicon - 0.30
Iron - 0.5
Copper - 0.07
Nitrogen - 0.01
Bismuth - 0.00005
Lead - 0.001
Antimony - 0.0005
Arsenic - 0.0005
Nickel - Other
Turbine blades for ground-based gas turbine engines, which have high operational properties, in particular, high resistance to sulfide corrosion and thermal resistance to oxidation at high temperatures, are cast using a lost-wax model using a lost-wax model.

Однако в процессе длительной эксплуатации при высоких температурах (свыше 900^oC) на наземных ГТУ, работающих на природном газе в условиях агрессивной сульфидной среды и контактного давления, наблюдается значительный износ контактных поверхностей бандажных полок лопаток ГТД из-за фреттинг-коррозии, что ведет к потере натяга, разбандажированию лопаток и в конечном итоге к преждевременному съему лопаток.However, during long-term operation at high temperatures (above 900 ^o C) on land gas turbines operating on natural gas in an aggressive sulfide environment and contact pressure, significant wear of the contact surfaces of the retaining shelves of the GTE blades due to fretting corrosion is observed, which leads to loss of interference, bandaging of the blades and, ultimately, premature removal of the blades.

Основная причина преждевременного износа контактных поверхностей заключается в том, что упрочняющая фаза сплава (γ-фазы) практически состоит из Ni (Al, Ti), так как сплав содержит алюминий и титан в соотношении, близком 1: 1. Содержание фазы Ni (Nb), придающей сплаву более высокую стабильность и устойчивость против разупрочнения при высоких температурах, минимальное. The main reason for premature wear of the contact surfaces is that the hardening phase of the alloy (γ-phase) practically consists of Ni (Al, Ti), since the alloy contains aluminum and titanium in a ratio close to 1: 1. The content of the Ni (Nb) phase giving the alloy higher stability and resistance to softening at high temperatures, minimal.

Цель изобретения - повышение исходной твердости сплава при сохранении стойкости к сульфидной коррозии сплава при работе в условиях высоких температур. The purpose of the invention is to increase the initial hardness of the alloy while maintaining resistance to sulfide corrosion of the alloy when operating at high temperatures.

Для достижения поставленной цели известный сплав на основе никеля, имеющий в своем составе углерод, хром, кобальт, молибден, вольфрам, алюминий, титан, иттрий, бор, цирконий, ниобий, серу, фосфор, марганец, кремний, железо, медь, азот, висмут, свинец, сурьму и мышьяк, содержит указанные компоненты в следующем соотношении, мас.%:
Углерод - 0,06 - 0,12
Хром - 15,0 - 16,7
Кобальт - 10,0 - 11,5
Молибден - 2,55 - 3,20
Вольфрам - 4,5 - 6,0
Алюминий - 2,4 - 3,2
Титан - 4,2 - 5,0
Иттрий - 0,05
Бор - 0,02
Цирконий - 0,05
Ниобий - 4,2 - 5,0
Сера - 0,008
Фосфор - 0,008
Марганец - 0,30
Кремний - 0,30
Железо - 0,5
Медь - 0,07
Азот - 0,01
Висмут - 0,00005
Свинец - 0,001
Сурьма - 0,0005
Мышьяк - 0,0005
Никель - Остальное
Увеличение процентного содержания ниобия способствует измельчению зерна, повышению термической стойкости, жаропрочности и исходной твердости за счет упрочнения границ зерен, образованию интерметаллидных и карбидных фаз.To achieve this goal, a well-known nickel-based alloy containing carbon, chromium, cobalt, molybdenum, tungsten, aluminum, titanium, yttrium, boron, zirconium, niobium, sulfur, phosphorus, manganese, silicon, iron, copper, nitrogen, bismuth, lead, antimony and arsenic, contains these components in the following ratio, wt.%:
Carbon - 0.06 - 0.12
Chrome - 15.0 - 16.7
Cobalt - 10.0 - 11.5
Molybdenum - 2.55 - 3.20
Tungsten - 4.5 - 6.0
Aluminum - 2.4 - 3.2
Titanium - 4.2 - 5.0
Yttrium - 0.05
Boron - 0.02
Zirconium - 0.05
Niobium - 4.2 - 5.0
Sulfur - 0.008
Phosphorus - 0.008
Manganese - 0.30
Silicon - 0.30
Iron - 0.5
Copper - 0.07
Nitrogen - 0.01
Bismuth - 0.00005
Lead - 0.001
Antimony - 0.0005
Arsenic - 0.0005
Nickel - Other
The increase in the percentage of niobium contributes to the grinding of grain, increase thermal resistance, heat resistance and initial hardness due to hardening of grain boundaries, the formation of intermetallic and carbide phases.

Увеличение процентного содержания молибдена способствует повышению стойкости наплавленного металла против образования горячих трещин. An increase in the percentage of molybdenum helps to increase the resistance of the deposited metal against the formation of hot cracks.

Комплексное легирование предлагаемого сплава ниобием и молибденом в указанных пределах способствует увеличению твердости наплавленного металла как до, так и после термообработки без снижения стойкости к сульфидной коррозии. Complex alloying of the proposed alloy with niobium and molybdenum within the specified limits contributes to an increase in the hardness of the deposited metal both before and after heat treatment without reducing the resistance to sulfide corrosion.

Предлагаемый сплав целесообразно выполнять из чистых шихтовых материалов индукционным способом в вакууме с последующей вакуумной разливкой. Заготовку выполняют в виде прутков заливкой в керамические формы, получаемые по выплавляемым моделям. Из заготовок прутков делают пластины для наплавки на контактные поверхности бандажных полок лопаток турбины ГТД. It is advisable to perform the proposed alloy from pure charge materials by induction in a vacuum followed by vacuum casting. The workpiece is made in the form of rods by pouring into ceramic molds obtained by investment casting. From blanks of rods make plates for surfacing on the contact surface of the retaining shelves of the blades of the turbine engine turbine blades.

Предлагаемый сплав был наплавлен на торцы образцов и контактные поверхности бандажных полок рабочих лопаток турбины ГТД, изготовленных из сплава ЧС 70 - ВИ. The proposed alloy was fused to the ends of the samples and the contact surfaces of the retaining shelves of the rotor blades of the turbine engine, made of alloy ChS 70 - VI.

Химический состав и сравнительные свойства предложенного и известного сплавов, а также серийных лопаток с опытными сплавами приведены в табл. 1, 2 и 3. The chemical composition and comparative properties of the proposed and known alloys, as well as serial blades with experimental alloys are given in table. 1, 2 and 3.

В табл. 1 приведены химические составы плавок разработанного сплава (составы 1, 2, 3) с различным содержанием легирующих элементов в пределах предлагаемого состава. В табл. 2 приведены свойства сплавов после литья и свойства наплавленного металла до и после термообработки. В табл. 3 приведены свойства наплавленного металла опытными сплавами (составы 1, 2 - табл. 1) на контактные поверхности бандажных полок серийных лопаток. In the table. 1 shows the chemical compositions of the melts of the developed alloy (compositions 1, 2, 3) with different content of alloying elements within the proposed composition. In the table. 2 shows the properties of the alloys after casting and the properties of the deposited metal before and after heat treatment. In the table. 3 shows the properties of the deposited metal by experimental alloys (compositions 1, 2 - table. 1) on the contact surfaces of the retaining shelves of serial blades.

Увеличение содержания ниобия за пределы интервала легирования практически не приводит к повышению твердости, а уменьшение - к снижению твердости исходного и наплавленного металла (составы 5, 4 - табл. 1). An increase in the niobium content beyond the alloying interval practically does not lead to an increase in hardness, and a decrease leads to a decrease in the hardness of the initial and deposited metal (compositions 5, 4 - Table 1).

Увеличение содержания молибдена за пределы легирования (состав 5 - табл. 1) приводит к повышению сульфидной коррозии как по наплавленному, так и по основному металлу, а на ряде образцов - к катастрофическому их разрушению. An increase in the molybdenum content beyond the limits of alloying (composition 5 - Table 1) leads to an increase in sulfide corrosion both in the deposited and in the base metal, and in some samples leads to their catastrophic destruction.

Уменьшение содержания молибдена за пределы легирования приводит к снижению стойкости наплавленного металла, к образованию горячих трещин (состав 4 - табл. 1). A decrease in the molybdenum content beyond alloying leads to a decrease in the resistance of the deposited metal, to the formation of hot cracks (composition 4 - table. 1).

Сплавы составов 1, 2, и 3, приведенные в табл. 1, соответствуют предлагаемым интервалам легирования. Alloys of compositions 1, 2, and 3 are given in table. 1 correspond to the proposed doping intervals.

Из табл. 2 следует, что преимущество предложенного сплава на основе никеля состоит в более высокой исходной твердости и твердости наплавленного металла в сравнении с прототипом (состав 6, табл. 1) при сохранении уровня стойкости к сульфидной коррозии. From the table. 2 it follows that the advantage of the proposed Nickel-based alloy is a higher initial hardness and hardness of the deposited metal in comparison with the prototype (composition 6, table. 1) while maintaining the level of resistance to sulfide corrosion.

Наплавление на контактные поверхности бандажных полок лопаток ГТД предлагаемого сплава при изготовлении новых и восстановлении ремонтных деталей позволяет увеличить ресурс и надежность эксплуатации газовых турбин, стационарных газотурбинных установок. Fusion on the contact surfaces of the retaining shelves of the GTE blades of the proposed alloy in the manufacture of new and restoration of repair parts allows to increase the resource and reliability of operation of gas turbines, stationary gas turbine units.

Claims

Nickel-based foundry heat-resistant alloy including carbon, chromium, cobalt, molybdenum, tungsten, aluminum, titanium, yttrium, boron, zirconium, sulfur, phosphorus, niobium, manganese, silicon, iron, copper, nitrogen, bismuth, lead, antimony and arsenic, characterized in that it contains components in the following ratio, wt.%:
Carbon - 0.06 - 0.12
Chrome - 15.0 - 16.7
Cobalt - 10.0 - 11.5
Molybdenum - 2.55 - 3.20
Tungsten - 4.5 - 6.0
Aluminum - 2.4 - 3.2
Titanium - 4.2 - 5.0
Yttrium - 0.05
Boron - 0.02
Zirconium - 0.05
Niobium - 4.2 - 5.0
Sulfur - 0.008
Phosphorus - 0.008
Manganese - 0.30
Silicon - 0.30
Iron - 0.5
Copper - 0.07
Nitrogen - 0.01
Bismuth - 0.00005
Lead - 0.001
Antimony - 0.0005
Arsenic - 0.0005
Nickel - Rest