RU2219272C1

RU2219272C1 - Refractory castable nickel-based alloy

Info

Publication number: RU2219272C1
Application number: RU2002123095A
Authority: RU
Inventors: В.И. Голованов; Г.И. Зубарев; Е.Б. Качанов; А.В. Логунов; И.М. Разумовский; А.Н. Хованов; В.М. Чепкин
Original assignee: Открытое акционерное общество "Композит"; Открытое акционерное общество "Всероссийский институт легких сплавов"; Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн"
Priority date: 2002-08-29
Filing date: 2002-08-29
Publication date: 2003-12-20
Also published as: RU2002123095A

Abstract

FIELD: nonferrous metal alloys. SUBSTANCE: invention, in particular, relates to refractory nickel-based alloys used for manufacturing heavy-duty parts, e. g. gas turbine blades operated at temperatures up to 1000 C, by directional crystallization and monocrystallic casting methods. Proposed alloy contains, wt %: chromium 1.0- 4.0, aluminum 5.0-7.0, titanium <2.0, molybdenum ≤ 4.0, tungsten 12.0- 16.0, tantalum 4.0-10.0, cobalt 10.0-14.0, niobium ≤ 2.0, yttrium 0.003- 0.1, lanthanum 0.001-0.1, cerium 0.003-0.1, and nickel - to 100%, provided that 18,0≤W+Ta≤24,0, and summary content of chromium, tungsten, tantalum, molybdenum, and niobium does not exceed 26.0%. EFFECT: reduced cost due to exclusion of expensive rhenium and balanced content of other alloying components. 2 tbl

Description

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным сплавам на основе никеля, используемым для изготовления высоконагруженных деталей, например лопаток газовых турбин, работающих при температурах до 1000^oС, методами направленной кристаллизации и монокристаллического литья.The invention relates to the field of metallurgy, in particular to heat-resistant nickel-based alloys used for the manufacture of highly loaded parts, for example gas turbine blades operating at temperatures up to 1000 ^o C, by methods of directional crystallization and monocrystalline casting.

Известен монокристаллический сплав на основе никеля, содержащий следующий компоненты, мас.%: хром 2,2-5,5, алюминий 5,0-6,2, титан 0,7-1,5, молибден 1,0-4,0, вольфрам 10,5-13,0, тантал 0,01-4,5, рений 1,0-2,6, кобальт 5,0-9,5, ниобий 0,7-1,5, иттрий 0,002-0,075, лантан 0,001-0,05, церий 0,001-0,05, празеодим 0,0002-0,01, неодим 0,0002-0,005, гадолиний 0,0002-0,005, скандий 0,0002-0,005, никель остальное - (1). Сплав обладает достаточно высоким уровнем длительной прочности и стабилен при работе в условиях высоких температур, однако его недостатком является легирование дорогими и дефицитными элементами, прежде всего рением, а также празеодимом, неодимом и гадолинием. Known single-crystal alloy based on Nickel, containing the following components, wt.%: Chromium 2.2-5.5, aluminum 5.0-6.2, titanium 0.7-1.5, molybdenum 1.0-4.0 , tungsten 10.5-13.0, tantalum 0.01-4.5, rhenium 1.0-2.6, cobalt 5.0-9.5, niobium 0.7-1.5, yttrium 0.002-0.075 , lanthanum 0.001-0.05, cerium 0.001-0.05, praseodymium 0.0002-0.01, neodymium 0.0002-0.005, gadolinium 0.0002-0.005, scandium 0.0002-0.005, nickel the rest - (1 ) The alloy has a fairly high level of long-term strength and is stable when working at high temperatures, but its disadvantage is alloying with expensive and scarce elements, primarily rhenium, as well as praseodymium, neodymium and gadolinium.

Задачей изобретения является создание экономного литейного жаропрочного сплава на основе никеля на базе реализации принципов структурной стабильности за счет исключения из состава наиболее дорогих и дефицитных элементов и установление определенного баланса содержания остальных легирующих элементов. The objective of the invention is to create an economical casting heat-resistant alloy based on nickel based on the implementation of the principles of structural stability by excluding the most expensive and scarce elements from the composition and establishing a certain balance of the content of the remaining alloying elements.

Задача решается тем, что предложен жаропрочный литейный сплав на основе никеля, содержащий хром, алюминий, титан, молибден, вольфрам, тантал, кобальт, ниобий, иттрий, лантан, церий, при этом он содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: хром 1,0-4,0, алюминий 5,0-7,0, титан <2,0, молибден ≤4,0, вольфрам 12,0-16,0, тантал 4,0-10,0, кобальт 10,0-14,0, ниобий ≤2,0, иттрий 0,003-0,1, лантан 0,001-0,1, церий 0,003-0,1, никель остальное, при этом соблюдены следующие условия: суммарное содержание вольфрама и тантала в мас.% находится в пределах 18,0≤W+Ta≤24,0, а суммарное содержание в мас.% хрома, вольфрама, тантала, молибдена и ниобия не превышает 26,0. The problem is solved in that a heat-resistant cast alloy based on nickel is proposed, containing chromium, aluminum, titanium, molybdenum, tungsten, tantalum, cobalt, niobium, yttrium, lanthanum, cerium, while it contains components in the following ratio, wt.%: Chromium 1.0-4.0, aluminum 5.0-7.0, titanium <2.0, molybdenum ≤ 4.0, tungsten 12.0-16.0, tantalum 4.0-10.0, cobalt 10, 0-14.0, niobium ≤2.0, yttrium 0.003-0.1, lanthanum 0.001-0.1, cerium 0.003-0.1, nickel the rest, while the following conditions are met: the total content of tungsten and tantalum in wt. % is in the range of 18.0≤W + Ta≤24.0, and the total content in wt. .% chromium, tungsten, tantalum, molybdenum and niobium does not exceed 26.0.

В заявленном составе сплава увеличено количество тантала и/или вольфрама, чтобы компенсировать полезное влияние на структуру и свойства исключенного из состава рения. Кроме того, из заявленного состава сплава полностью исключены празеодим, неодим, гадолиний и бор и проведена балансировка содержания остальных легирующих элементов. In the claimed alloy composition, the amount of tantalum and / or tungsten is increased to compensate for the beneficial effect on the structure and properties of rhenium excluded from the composition. In addition, praseodymium, neodymium, gadolinium and boron were completely excluded from the claimed alloy composition and the content of the remaining alloying elements was balanced.

Химический состав предлагаемого сплава детально анализировался методом интеллектуальной инженерии, при этом оценивались: прогнозируемый уровень структурной стабильности, а именно вероятность образования топологически плотноупакованных и карбидных фаз; формирование эвтектических колоний (γ+γ′) фаз и фаз с объемно-центрированной кубической (ОЦК) решеткой при длительной наработке; кинетика диффузионного огрубления изолированных выделений γ′-фазы в γ-фазе (матрице) и пластинчатой микроструктуры в монокристаллах с ориентацией [001]. The chemical composition of the proposed alloy was analyzed in detail by the method of intelligent engineering, while assessing: the predicted level of structural stability, namely the probability of the formation of topologically close-packed and carbide phases; the formation of eutectic colonies (γ + γ ′) of phases and phases with a body-centered cubic (bcc) lattice during prolonged use; kinetics of diffusion coarsening of isolated precipitates of the γ′-phase in the γ-phase (matrix) and lamellar microstructure in single crystals with [001] orientation.

В результате проведенного анализа было установлено, что в составе предложенного сплава вероятность образования нежелательных фаз мала и сам состав хорошо сбалансирован. As a result of the analysis, it was found that in the composition of the proposed alloy, the probability of formation of undesirable phases is small and the composition itself is well balanced.

Данные аналитического прогнозирования структурной стабильности были проверены экспериментально и сопоставлены с характеристиками длительной прочности известного сплава (1). The data of the analytical prediction of structural stability were verified experimentally and compared with the long-term strength characteristics of the known alloy (1).

Пример. Example.

Для опробации сплава были выплавлены три состава, содержащие компоненты в мас.%, представленные в табл. 1. Предлагаемый сплав выплавляли в вакуумной индукционной печи, а затем переплавляли в печи для направленной кристаллизации с применением затравок с заданной ориентацией. Свойства полученных сплавов приведены в табл. 2. To test the alloy, three compositions were melted, containing components in wt.%, Are presented in table. 1. The proposed alloy was smelted in a vacuum induction furnace, and then smelted in a furnace for directional crystallization using seeds with a given orientation. The properties of the obtained alloys are given in table. 2.

Как видно из табл. 2, единица веса известного сплава (1) более чем на 20% дороже предлагаемого сплава. При этом в сравнении с известным сплавом (1), у которого при нагрузке σ=255 МПа среднее время до разрушения составляет 100 часов, уровень длительной прочности предложенного сплава даже выше, чем у известного сплава (1). As can be seen from the table. 2, the unit weight of the known alloy (1) is more than 20% more expensive than the proposed alloy. Moreover, in comparison with the known alloy (1), in which, with a load σ = 255 MPa, the average time to failure is 100 hours, the level of long-term strength of the proposed alloy is even higher than that of the known alloy (1).

В монокристаллах предложенного сплава после нагрева выше температуры полного растворения упрочняющей γ′-фазы, выдержки и охлаждения со скоростью 50^oС/мин наблюдается регулярная микроструктура, представляющая собой закономерное распределение кубоидных частиц γ′-фазы в матрице. При испытании образцов с ориентацией [001] на долговечность в них происходит морфологическое превращение - изолированные частицы γ′-фазы превращаются в тонкие пластины, разделенные слоями матрицы. Сформировавшаяся пластинчатая микроструктура ("рафт-структура") обладает высокой стабильностью. Даже после длительной выдержки при температуре 1000^oС под нагрузкой в образцах предложенного сплава не наблюдается существенного изменения исходного фазового состава.In single crystals of the proposed alloy, after heating above the complete dissolution temperature of the hardening γ′-phase, holding and cooling at a rate of 50 ^o C / min, a regular microstructure is observed, which is a regular distribution of cuboid particles of the γ′-phase in the matrix. When testing samples with the [001] orientation for durability, a morphological transformation occurs in them — isolated particles of the γ′-phase turn into thin plates separated by matrix layers. The formed lamellar microstructure ("raft structure") is highly stable. Even after prolonged exposure at a temperature of 1000 ^o With under load in the samples of the proposed alloy there is no significant change in the initial phase composition.

Предложенный сплав ниже по стоимости известного сплава (1) более чем на 20% в зависимости от выбора конкретных композиций легирующих элементов в заявленных диапазонах концентраций. В предложенном составе отсутствует остродефицитный рений, что обеспечивает возможность производства предложенного сплава в необходимом количестве. The proposed alloy is lower in cost of the known alloy (1) by more than 20% depending on the choice of specific compositions of alloying elements in the claimed concentration ranges. In the proposed composition there is no acute deficiency of rhenium, which makes it possible to produce the proposed alloy in the required quantity.

Источники информации
1. Патент RU 1513934, МКИ6 C 22 C 19/05, 1995 г.Sources of information
1. Patent RU 1513934, MKI6 C 22 C 19/05, 1995

Claims

A heat-resistant casting alloy based on nickel, containing chromium, aluminum, titanium, molybdenum, tungsten, tantalum, cobalt, niobium, yttrium, lanthanum, cerium, characterized in that it contains components in the following ratio, wt.%:

Chrome 1.0-4.0

Aluminum 5.0-7.0

Titanium <2.0

Molybdenum ≤ 4.0

Tungsten 12.0-16.0

Tantalum 4.0-10.0

Cobalt 10.0-14.0

Niobium ≤2.0

Yttrium 0.003-0.1

Lanthanum 0.001-0.1

Cerium 0.003-0.1

Nickel Else

while the following conditions are met: the total content of tungsten and tantalum in wt.% is in the range: 18.0≤W + Ta≤24.0, and the total content in wt.% of chromium, tungsten, tantalum, molybdenum and niobium does not exceed 26 , 0.