RU2153021C1 - Никелевый жаропрочный сплав для монокристального литья - Google Patents
Никелевый жаропрочный сплав для монокристального литья Download PDFInfo
- Publication number
- RU2153021C1 RU2153021C1 RU99111583A RU99111583A RU2153021C1 RU 2153021 C1 RU2153021 C1 RU 2153021C1 RU 99111583 A RU99111583 A RU 99111583A RU 99111583 A RU99111583 A RU 99111583A RU 2153021 C1 RU2153021 C1 RU 2153021C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- alloy
- heat
- nickel
- molybdenum
- nickel alloy
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Никелевый жаропрочный сплав для монокристального литья содержит следующие компоненты, мас.%: хром 2,0-3,0, кобальт 9,5-12,0, алюминий 5,5-6,2, вольфрам 0,1-1,8, молибден 1,6-2,4, тантал 7,8-10,0, рений 7,8-10,0, церий 0,002-0,02, лантан 0,002-0,02, неодим 0,0005-0,01, иттрий 0,002-0,02, углерод 0,002-0,05 и никель остальное, при соблюдении условия 10,5 ≤ (1/2 W+1/2 Re+1/2 Ta + Мо) ≤ 11,5. Техническим результатом изобретения является улучшение технологических и жаропрочных характеристик сплава. 2 табл.
Description
Изобретение относится к металлургии сплавов, а именно к производству жаропрочных сплавов на основе никеля, используемых для деталей с монокристаллической структурой, например лопаток газовых турбин, работающих при высоких температурах.
Известен никелевый жаропрочный сплав для монокристального литья [1] состава, мас.%:
Хром - 5,8 - 6,8
Кобальт - 0,1 - 6
Алюминий - 5 - 5,8
Вольфрам - 6 - 7,8
Ниобий - 0,05 - 0,5
Молибден - 3,5 - 4,8
Тантал - 6 - 7,8
Церий - 0,002 - 0,02
Иттрий - 0,002 - 0,02
Лантан - 0,002 - 0,02
Никель - Остальное
при соблюдении условия: 10,5 ≤ (1/2 W + 1/2 Ta + Mo + Nb) ≤ 11,5.
Хром - 5,8 - 6,8
Кобальт - 0,1 - 6
Алюминий - 5 - 5,8
Вольфрам - 6 - 7,8
Ниобий - 0,05 - 0,5
Молибден - 3,5 - 4,8
Тантал - 6 - 7,8
Церий - 0,002 - 0,02
Иттрий - 0,002 - 0,02
Лантан - 0,002 - 0,02
Никель - Остальное
при соблюдении условия: 10,5 ≤ (1/2 W + 1/2 Ta + Mo + Nb) ≤ 11,5.
Известный сплав обладает недостаточной жаропрочностью: при температуре 1050oC и напряжении 15 кгс/мм2 время до разрушения при испытании на длительную прочность сплава составляет 450-500 ч.
Известен никелевый жаропрочный сплав для монокристального литья [2] состава, мас.%:
Хром - 4,0 - 6,5
Кобальт - 10 - 15
Алюминий - 5 - 6,25
Вольфрам - 5 - 6,5
Ниобий - 0 - 1
Молибден - 0,5 - 2,0
Тантал - 7 - 9,25
Рений - 5,1 - 5,6
Гафний - 0,1 - 0,5
Углерод - 0,02 - 0,07
Рутений - 0 - 6
Бор - 0,003 - 0,01
Хром + молибден - 4,6 - 6,5
Никель - Остальное
Недостатком известного сплава является склонность к образованию топологически плотноупакованных (ТПУ) σ,μ,R,P - фаз в интервале рабочих температур 1000 -1100oC. Отрицательное влияние ТПУ фаз на свойства сплава проявляется в том, что они служат источником зарождения и распространения трещин, ведущих к преждевременному разрушению. Кроме этого, ТПУ фазы связывают значительное количество основных легирующих элементов и, тем самым, обедняют ими γ-твердый раствор, снижая эффективность твердорастворного упрочнения сплава. В результате известный сплав обладает недостаточной жаропрочностью: при температуре 1093oC и напряжении σ = 141 МПа долговечность сплава составляет ~ 100 ч.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является никелевый жаропрочный монокристальный сплав [3]. Жаропрочный сплав на основе никеля содержит хром, кобальт, алюминий, вольфрам, ниобий, молибден, тантал, рений, гафний, титан при следующем соотношении указанных выше компонентов, мас.%:
Хром - 1,8 - 4,0
Кобальт - 1,5 -9,0
Алюминий - 5,0 -7,0
Вольфрам - 3,5 -7,5
Ниобий - 0 -0,5
Молибден - 0,25 - 2,0
Тантал - 7,0 -10,0
Рений - 5,0 -7,0
Гафний - 0 -0,15
Титан - 0,1 -1,2
Никель - Остальное
Сплав имеет следующие характеристики жаропрочности: при температуре 982oC и напряжении σ = 248 МПа долговечность сплава τ = 239,8-775,2 ч; при температуре 1010oC и σ = 248 МПа τ = 140,7 - 354,4 ч.
Хром - 4,0 - 6,5
Кобальт - 10 - 15
Алюминий - 5 - 6,25
Вольфрам - 5 - 6,5
Ниобий - 0 - 1
Молибден - 0,5 - 2,0
Тантал - 7 - 9,25
Рений - 5,1 - 5,6
Гафний - 0,1 - 0,5
Углерод - 0,02 - 0,07
Рутений - 0 - 6
Бор - 0,003 - 0,01
Хром + молибден - 4,6 - 6,5
Никель - Остальное
Недостатком известного сплава является склонность к образованию топологически плотноупакованных (ТПУ) σ,μ,R,P - фаз в интервале рабочих температур 1000 -1100oC. Отрицательное влияние ТПУ фаз на свойства сплава проявляется в том, что они служат источником зарождения и распространения трещин, ведущих к преждевременному разрушению. Кроме этого, ТПУ фазы связывают значительное количество основных легирующих элементов и, тем самым, обедняют ими γ-твердый раствор, снижая эффективность твердорастворного упрочнения сплава. В результате известный сплав обладает недостаточной жаропрочностью: при температуре 1093oC и напряжении σ = 141 МПа долговечность сплава составляет ~ 100 ч.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является никелевый жаропрочный монокристальный сплав [3]. Жаропрочный сплав на основе никеля содержит хром, кобальт, алюминий, вольфрам, ниобий, молибден, тантал, рений, гафний, титан при следующем соотношении указанных выше компонентов, мас.%:
Хром - 1,8 - 4,0
Кобальт - 1,5 -9,0
Алюминий - 5,0 -7,0
Вольфрам - 3,5 -7,5
Ниобий - 0 -0,5
Молибден - 0,25 - 2,0
Тантал - 7,0 -10,0
Рений - 5,0 -7,0
Гафний - 0 -0,15
Титан - 0,1 -1,2
Никель - Остальное
Сплав имеет следующие характеристики жаропрочности: при температуре 982oC и напряжении σ = 248 МПа долговечность сплава τ = 239,8-775,2 ч; при температуре 1010oC и σ = 248 МПа τ = 140,7 - 354,4 ч.
Однако недостатком известного сплава является склонность к образованию при кристаллизации избыточных фаз эвтектического происхождения на основе Ni3(А1, Та, Ti, Hf, Nb), а также склонностью к фазовой нестабильности в связи с широким интервалом легирования в пределах указанного выше соотношения компонентов. Вследствие этого сплав обладает недостаточно высокой длительной прочностью при температуре 1000oC.
Наличие в литой структуре сплава фаз эвтектического происхождения на основе Ni3(А1, Та, Ti, Hf, Nb) также ухудшает технологические свойства сплава, снижая температурный интервал гомогенизирующего отжига, равный разности между температурой локального плавления и температурой полного растворения упрочняющей γ′ - фазы. В результате возникают трудности в проведении без риска оплавления термической обработки на твердый раствор для растворения избыточных фаз и устранения ликвационной неоднородности.
Технической задачей предлагаемого изобретения является устранение вышеуказанных недостатков, а именно улучшение технологических характеристик сплава при повышении жаропрочности. Для этого в никелевый жаропрочный сплав для монокристального литья, содержащий хром, кобальт, алюминий, вольфрам, молибден, тантал, рений, дополнительно введены церий, лантан, неодим, иттрий и углерод при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Хром - 2,0 - 3,0
Кобальт - 9,5 - 12,0
Алюминий - 5,5 - 6,2
Вольфрам - 0,1 - 1,8
Молибден - 1,6 - 2,4
Тантал - 7,8 - 10,0
Рений - 7,8 - 10,0
Церий - 0,002 - 0,02
Лантан - 0,002 - 0,02
Неодим - 0,0005 - 0,01
Иттрий - 0,002 - 0,02
Углерод - 0,002 - 0,05
Никель - Остальное
при соблюдении условия: 10,5 ≤ (1/2W + 1/2Re + 1/2 Ta + Mo) ≤ 11,5.
Хром - 2,0 - 3,0
Кобальт - 9,5 - 12,0
Алюминий - 5,5 - 6,2
Вольфрам - 0,1 - 1,8
Молибден - 1,6 - 2,4
Тантал - 7,8 - 10,0
Рений - 7,8 - 10,0
Церий - 0,002 - 0,02
Лантан - 0,002 - 0,02
Неодим - 0,0005 - 0,01
Иттрий - 0,002 - 0,02
Углерод - 0,002 - 0,05
Никель - Остальное
при соблюдении условия: 10,5 ≤ (1/2W + 1/2Re + 1/2 Ta + Mo) ≤ 11,5.
Введение в состав сплава церия, лантана, неодима и углерода способствует оптимальному перераспределению легирующих элементов по дендритной ячейке и расширению температурного интервала гомогенизирующего отжига без риска оплавления. Одновременная корректировка химического состава сплава при выполнения условия 10,5 ≤ (1/2W + 1/2Re + 1/2Ta+ Mo) ≤ 11,5. приводит к повышению фазовой стабильности γ′-твердого раствора и γ′-фазы, увеличению периода кристаллической решетки этих фаз и достижению его оптимального размерного несоответствия. В результате повышается длительная прочность сплава. Кроме того, удаление из состава сплава титана, ниобия и гафния приводит к повышению термодинамической стабильности упрочняющей γ′-фазы, что также способствует повышению высокотемпературной длительной прочности сплава.
Пример осуществления. Для проверки были выплавлены в вакуумной индукционной печи ВИАМ-1635 шесть сплавов предлагаемого состава и один сплав состава, взятого за прототип. Затем эти сплавы переплавляли в установке для направленной кристаллизации (скорость вытягивания формы - 10 мм/мин) с получением монокристаллических слитков с осевой ориентацией, близкой к кристаллографическому направлению роста <001>. Из этих слитков изготавливали образцы (диаметр 7 мм, длина 7 мм) для определения температур фазовых превращений в твердом и твердожидком состояниях. Затем слитки подвергали термической обработке, включающей гомогенизирующий отжиг в интервале между температурой полного растворения упрочняющей γ′-фазы и температурой локального плавления, первое старение в интервале температур 1050 - 1150oC, второе старение в интервале температур 750 - 900oC. Из термообработанных таким образом слитков изготавливали образцы для механических испытаний (длина образца 70 мм, рабочая база 25 мм, рабочий диаметр 5 мм) на долговечность (длительное одноосное растяжение) при высоких температурах. Механические испытания образцов проводили при температуре 1000oC и напряжении 32 кгс/мм.
Содержание компонентов (мас.%) в сплавах и характеристики сплавов приведены в табл. 1 и 2 соответственно.
Как видно из табл. 2, предлагаемый сплав имеет большую величину (на 44-57oC) температурного интервала гомогенизирующего отжига, чем сплав, взятый за прототип. Это позволяет проводить термическую обработку на твердый раствор и гомогенизацию сплава без риска оплавления и полностью устранить фазовую и химическую неоднородность. Кроме того, значения параметров характеризующих фазовую стабильность, для предлагаемого сплава меньше критических, что свидетельствует об отсутствии склонности его γ-твердого раствора к выделению ТПУ - фаз.
Значения параметров вычислялись по формулам:
где (Mdt)i - энергетический уровень d- орбиталей i-го химического элемента; (Nν)i - количество электронных вакансий химического элемента; X, Z, - атомные концентрации i-х элементов в γ-твердом растворе и сплаве соответственно; Аi - и Еi- соответственно атомная масса и концентрация валентных электронов i-го элемента (sp-электроны алюминия и ds- электроны переходных металлов). В результате долговечность предлагаемого сплава при испытаниях на длительную прочность при температуре 1000oC и напряжении 32 кгс/мм2 повышается в ≈ 2 раза по сравнению со сплавом, взятым за прототип.
где (Mdt)i - энергетический уровень d- орбиталей i-го химического элемента; (Nν)i - количество электронных вакансий химического элемента; X, Z, - атомные концентрации i-х элементов в γ-твердом растворе и сплаве соответственно; Аi - и Еi- соответственно атомная масса и концентрация валентных электронов i-го элемента (sp-электроны алюминия и ds- электроны переходных металлов). В результате долговечность предлагаемого сплава при испытаниях на длительную прочность при температуре 1000oC и напряжении 32 кгс/мм2 повышается в ≈ 2 раза по сравнению со сплавом, взятым за прототип.
Таким образом, предлагаемый сплав значительно превосходит известный сплав по длительной прочности, что позволяет рекомендовать этот сплав для монокристального литья лопаток газовых турбин, к которым предъявляются повышенные требования к жаропрочности при высоких температурах.
Литература
1. Патент РФ N 1776076. МКИ С 22 С 19/05. 1990.
1. Патент РФ N 1776076. МКИ С 22 С 19/05. 1990.
2. United States Patent N 5455120. Int.Cl.6 C 22 С 19/05, C 22 F 1/10 1995.
3. United States Patent N 5366695. Int.Cl.5 C 22 С 19/05. 1994.
4. Yukawa N. , Morinaga M., Ezaki H., Murata Y. Alloy design of superalloys by the d-electrons concept //High Temperature Alloys for Gas Turbines and Other Applications //Proc. of Conf. Held in Liege, Belgium. Dordrecht, 1986. P. 935-944.
5. Суперсплавы II: Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок /Под ред. Ч.Т.Симса, Н.С.Столоффа, У.К.Хателя: Пер. с англ. В 2-х книгах. Кн. 1. /Под ред. Р.Е.Шалина. M.: Металлургия. 1995.384 с.
6. Морозова Г. И. Закономерность формирования химического состава γ′/γ-матриц многокомпонентных никелевых сплавов //ДАН СССР. 1991. Т.320, N6, с.1413-14-16.
Claims (1)
- Никелевый жаропрочный сплав для монокристального литья, содержащий хром, кобальт, алюминий, вольфрам, молибден, тантал, рений, отличающийся тем, что он дополнительно содержит церий, лантан, неодим, иттрий и углерод при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Хром - 2,0 - 3,0
Кобальт - 9,5 - 12,0
Алюминий - 5,5 - 6,2
Вольфрам - 0,1 - 1,8
Молибден - 1,6 - 2,4
Тантал - 7,8 - 10,0
Рений - 7,8 - 10,0
Церий - 0,002 - 0,02
Лантан - 0,002 - 0,02
Неодим - 0,0005 - 0,01
Иттрий - 0,002 - 0,02
Углерод - 0,002 - 0,05
Никель - Остальное
при соблюдении условия 10,5 ≤ (1/2 W + 1/2 Re + 1/2 Ta + Mo) ≤ 11,5
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU99111583A RU2153021C1 (ru) | 1999-06-01 | 1999-06-01 | Никелевый жаропрочный сплав для монокристального литья |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU99111583A RU2153021C1 (ru) | 1999-06-01 | 1999-06-01 | Никелевый жаропрочный сплав для монокристального литья |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2153021C1 true RU2153021C1 (ru) | 2000-07-20 |
Family
ID=20220673
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU99111583A RU2153021C1 (ru) | 1999-06-01 | 1999-06-01 | Никелевый жаропрочный сплав для монокристального литья |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2153021C1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2482205C1 (ru) * | 2009-04-17 | 2013-05-20 | АйЭйчАй КОРПОРЕЙШН | МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ СУПЕРСПЛАВ НА ОСНОВЕ Ni И ВКЛЮЧАЮЩАЯ ЕГО ЛОПАТКА ТУРБИНЫ |
US9499886B2 (en) | 2007-03-12 | 2016-11-22 | Ihi Corporation | Ni-based single crystal superalloy and turbine blade incorporating the same |
-
1999
- 1999-06-01 RU RU99111583A patent/RU2153021C1/ru active
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9499886B2 (en) | 2007-03-12 | 2016-11-22 | Ihi Corporation | Ni-based single crystal superalloy and turbine blade incorporating the same |
RU2482205C1 (ru) * | 2009-04-17 | 2013-05-20 | АйЭйчАй КОРПОРЕЙШН | МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ СУПЕРСПЛАВ НА ОСНОВЕ Ni И ВКЛЮЧАЮЩАЯ ЕГО ЛОПАТКА ТУРБИНЫ |
US8877122B2 (en) | 2009-04-17 | 2014-11-04 | Ihi Corporation | Ni-based single crystal superalloy and turbine blade incorporating the same |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2881626B2 (ja) | 単結晶ニッケル・ベース超合金 | |
JP4024303B2 (ja) | ニッケルベースの超合金 | |
EP2128284B1 (en) | Ni-BASED SINGLE CRYSTAL SUPERALLOY AND TURBINE VANE USING THE SAME | |
JP4036091B2 (ja) | ニッケル基耐熱合金及びガスタービン翼 | |
US20140373979A1 (en) | Nickel-based heat-resistant superalloy | |
KR102403029B1 (ko) | 석출 경화성의 코발트-니켈 베이스 초합금 및 이로부터 제조된 물품 | |
KR20040007212A (ko) | 니켈계 초합금 및 그로부터 제조된 터빈 구성요소 | |
EP2420584A1 (en) | Nickel-base single-crystal superalloy and turbine wing using same | |
EP1997923A1 (en) | Ni-BASE SUPERALLOY, METHOD FOR PRODUCING SAME, AND TURBINE BLADE OR TURBINE VANE COMPONENT | |
US6740292B2 (en) | Nickel-base superalloy | |
US20090308507A1 (en) | Ni-BASED COMPOUND SUPERALLOY HAVING EXCELLENT OXIDATION RESISTANCE, METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME, AND HEAT-RESISTANT STRUCTURAL MATERIAL | |
JPWO2006104059A1 (ja) | コバルトフリーのNi基超合金 | |
RU2293782C1 (ru) | Никелевый жаропрочный сплав для монокристаллического литья и изделие, выполненное из него | |
JP2007211273A (ja) | 強度、耐食性及び耐酸化特性に優れた一方向凝固用ニッケル基超合金及び一方向凝固ニッケル基超合金の製造方法 | |
JPH11246924A (ja) | Ni基単結晶超合金、その製造方法およびガスタービン部品 | |
US9017605B2 (en) | Nickel-based superalloy | |
RU2153021C1 (ru) | Никелевый жаропрочный сплав для монокристального литья | |
EP1149181A1 (en) | Alloys for high temperature service in aggressive environments | |
RU2434069C1 (ru) | Литейный жаропрочный сплав на основе никеля | |
CA2727105C (en) | Improved low sulfur nickel-base single crystal superalloy with ppm additions of lanthanum and yttrium | |
RU2710759C1 (ru) | Жаропрочный сплав на никелевой основе и изделие, выполненное из него | |
RU2794497C1 (ru) | Жаропрочный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него | |
RU2802841C1 (ru) | Жаропрочный литейный сплав на никелевой основе и изделие, выполненное из него | |
RU2769330C1 (ru) | Литейный жаропрочный никелевый сплав с монокристаллической структурой | |
US20040069380A1 (en) | Nickel-based superalloy having high resistance to hot-corrosion for monocrystalline blades of industrial turbines |