RU2256715C1 - Nickel-base heat-resistant alloy and article made of thereof - Google Patents

Nickel-base heat-resistant alloy and article made of thereof Download PDF

Info

Publication number
RU2256715C1
RU2256715C1 RU2004115648/02A RU2004115648A RU2256715C1 RU 2256715 C1 RU2256715 C1 RU 2256715C1 RU 2004115648/02 A RU2004115648/02 A RU 2004115648/02A RU 2004115648 A RU2004115648 A RU 2004115648A RU 2256715 C1 RU2256715 C1 RU 2256715C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
alloy
nickel
casting
heat
aluminum
Prior art date
Application number
RU2004115648/02A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
В.Н. Толораи (RU)
В.Н. Толораия
Е.Н. Каблов (RU)
Е.Н. Каблов
Н.Г. Орехов (RU)
Н.Г. Орехов
Е.Н. Чубарова (RU)
Е.Н. Чубарова
И.Н. Алешин (RU)
И.Н. Алешин
Г.А. Остроухова (RU)
Г.А. Остроухова
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ВИАМ) Государственный научный центр Российской Федерации
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ВИАМ) Государственный научный центр Российской Федерации filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ВИАМ) Государственный научный центр Российской Федерации
Priority to RU2004115648/02A priority Critical patent/RU2256715C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2256715C1 publication Critical patent/RU2256715C1/en

Links

Landscapes

  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

FIELD: metallurgy.
SUBSTANCE: invention relates to preparing nickel-base heat-resistant casting alloys. Invention proposes nickel-base casting heat-resistant alloy and article made of thereof. Alloy comprising chrome, cobalt, tungsten, molybdenum, titanium, niobium, aluminum, boron, yttrium and carbon comprises additionally tantalum, silicon and calcium in the following ratio of components, wt.-%: chrome, 5.0-9.0; cobalt, 5.0-10.0; tungsten, 8.0-12.0; molybdenum, 0.5-2.5; titanium, 1.0-3.0; niobium, 1.0-1.8; aluminum, 4.5-6.0; boron, 0.001-0.002; yttrium, 0.005-0.05; carbon, 0.05-0.25; tantalum, 0.25-1.5; silicon, 0.01-0.1; calcium, 0.001-0.01, and nickel, the balance. Alloy provides enhancing resistance against arising burning cracks in casting turbine vanes with unidirectional grains structure in combination with level of heat resistance and thermal stability. Invention can be used for making gas-turbine engines and equipment unit members being turbine vanes with monocrystalline and directed structure mainly working at high temperature by method of directed crystallization.
EFFECT: improved and enhanced properties and quality of alloy.
3 cl, 3 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для получения методом направленной кристаллизации деталей высокотемпературных узлов газотурбинных двигателей и установок, преимущественно турбинных лопаток с монокристаллической и направленной структурами.The invention relates to the field of metallurgy and can be used to obtain by the method of directional crystallization of parts of high-temperature units of gas turbine engines and installations, mainly turbine blades with single-crystal and directional structures.

В металлургии широко известны литейные жаропрочные сплавы на основе никеля, содержащие вольфрам, хром, молибден, гафний, ниобий, кобальт, алюминий, такие как MAR-M247, ЖС26, ЖС26У, обладающие высоким уровнем длительной прочности, применяемые в газотурбинных двигателях авиационного назначения (Патент США №3748192, патент РФ №722330, патент РФ №1412342).Nickel-based casting heat-resistant alloys containing tungsten, chromium, molybdenum, hafnium, niobium, cobalt, and aluminum, such as MAR-M247, ZhS26, ZhS26U, which have a high level of long-term strength and are used in aircraft gas turbine engines, are widely known in metallurgy (Patent US No. 3748192, RF patent No. 722330, RF patent No. 1412342).

Однако сплавы MAR-M247 и ЖС26У показали себя недостаточно эффективными при использовании их в современной технологии направленной кристаллизации, а именно в технологии литья с применением жидкометаллического охладителя, обеспечивающего резкое увеличение прочностных свойств материала за счет увеличения градиента кристаллизации. Так, сплавы ЖС26У и MAR-M247 оказались малотехнологичными, склонными к горячему трещинообразованию, а сплав ЖС26, хотя и обладал высокой жаропрочностью и технологичностью, отличался низкой жаростойкостью из-за входящего в его состав упрочнителя - ванадия. Эти недостатки ограничивают применение сплавов в лопатках ГТД нового поколения.However, MAR-M247 and ZhS26U alloys have not proved to be sufficiently effective when used in modern directional crystallization technology, namely in casting technology using a liquid metal cooler, which provides a sharp increase in the strength properties of the material due to an increase in the crystallization gradient. So, the ZhS26U and MAR-M247 alloys turned out to be low-tech, prone to hot cracking, and the ZhS26 alloy, although it had high heat resistance and manufacturability, was characterized by low heat resistance due to the hardener vanadium included in its composition. These drawbacks limit the use of alloys in new generation gas turbine engines.

Наиболее близким по химическому составу и назначению к предлагаемому изобретению, является жаропрочный литейный никелевый сплав ЖС26У, имеющий химический состав при следующем соотношении компонентов, мас.%:The closest in chemical composition and purpose to the proposed invention is a heat-resistant foundry nickel alloy ZhS26U having a chemical composition in the following ratio of components, wt.%:

Figure 00000001
Figure 00000001

Сплав - прототип применяется для получения отливок лопаток с однонаправленной структурой. Однако этот сплав отличается крайне низкой технологичностью при высокоградиентном литье с применением охлаждения формы в расплаве легкоплавкого металла (алюминия, олова). Это связано с присутствием в сплаве гафния, который образует по границам зерен ряд легкоплавких эвтектик типа Ni3Hf или Ni5Hf. Из-за возникновения термических напряжений внутри эффективного интервала кристаллизации по границам зерен, там, где скапливаются не закристаллизовавшиеся эвтектические фазы, возникают так называемые горячие трещины, которые являются дефектом во всех случаях, приводящих лопатку в негодность.Alloy - the prototype is used to produce castings of blades with a unidirectional structure. However, this alloy is characterized by extremely low manufacturability in high-gradient casting using mold cooling in a melt of low-melting metal (aluminum, tin). This is due to the presence of hafnium in the alloy, which forms a series of low-melting eutectics of the type Ni 3 Hf or Ni 5 Hf along the grain boundaries. Due to the occurrence of thermal stresses within the effective range of crystallization along the grain boundaries, where the non-crystallized eutectic phases accumulate, so-called hot cracks arise, which are a defect in all cases that make the blade unusable.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка жаропрочного литейного никелевого сплава и изделий из него, обладающих высокой технологичностью при высокоградиентной направленной кристаллизации, в частности высоким сопротивлением возникновению горячих трещин при литье турбинных лопаток с однонаправленной структурой зерен в сочетании с высоким уровнем жаропрочности и жаростойкости.The technical task of the invention is the development of a heat-resistant cast nickel alloy and products made of it, which are highly adaptable to high-gradient directional crystallization, in particular, high resistance to the occurrence of hot cracks when casting turbine blades with a unidirectional grain structure in combination with a high level of heat resistance and heat resistance.

Для достижения поставленной цели предлагается жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий титан, ниобий, бор, иттрий, углерод, отличающийся тем, что он дополнительно содержит тантал, кремний, кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:To achieve this goal, a heat-resistant nickel-based alloy is proposed, containing chromium, cobalt, tungsten, molybdenum, aluminum, titanium, niobium, boron, yttrium, carbon, characterized in that it additionally contains tantalum, silicon, calcium in the following ratio of components, wt. %:

Figure 00000002
Figure 00000002

Удаление из состава сплава гафния резко повышает стойкость отливки к образованию трещин в процессе литья. Введенный в состав сплава тантал (до 1,5 мас.%) интенсивно упрочняет вторичную

Figure 00000003
а значит и повышает прочностные характеристики материала. Наличие в сплаве тантала помимо повышения длительной прочности повышает технологичность, так как уменьшает вероятность возникновения полос струйчатой ликвации (цепочки равноосных зерен, являющихся дефектом структуры лопатки). Добавление кальция в количестве 0.001-0.01 мас.% снижает содержание в сплаве кислорода, который резко отрицательно влияет на технологические свойства сплава при монокристаллическом литье. Для удаления оставшихся в сплаве дисперсных включений вводят кремний (0,01-0,1 мас.%), который превращается в оксид, соединяясь с кислородом. Оксид кремния, соединяясь с оксидом кальция, образует легкоплавкое соединение, которое в процессе плавки уходит в футеровку тигля.Removing hafnium from the composition of the alloy dramatically increases the resistance of the casting to cracking during casting. Introduced into the alloy tantalum (up to 1.5 wt.%) Intensifies the secondary
Figure 00000003
and therefore increases the strength characteristics of the material. The presence of tantalum in the alloy, in addition to increasing long-term strength, increases manufacturability, as it reduces the likelihood of streak segregation (chains of equiaxed grains that are a defect in the structure of the blade). The addition of calcium in an amount of 0.001-0.01 wt.% Reduces the oxygen content in the alloy, which sharply negatively affects the technological properties of the alloy during single crystal casting. To remove the dispersed inclusions remaining in the alloy, silicon (0.01-0.1 wt.%) Is introduced, which is converted into oxide, combining with oxygen. Silicon oxide, combining with calcium oxide, forms a low-melting compound, which in the process of melting goes into the lining of the crucible.

Изделия, получаемые из предлагаемого сплава, обладают высокими технологическими свойствами, жаропрочностью и жаростойкостью.Products obtained from the proposed alloy have high technological properties, heat resistance and heat resistance.

Пример осуществления.An example implementation.

В лабораторных условиях были отлиты предлагаемые сплавы, составы которых представлены в таблице 1, где составы 1, 2, 3 - предлагаемые сплавы; а состав 4 - сплав-прототип.In laboratory conditions, the proposed alloys were cast, the compositions of which are presented in table 1, where compositions 1, 2, 3 are the proposed alloys; and composition 4 is an alloy prototype.

В таблицах 2 и 3 представлены результаты испытаний на жаропрочность, жаростойкость и трещиностойкость предлагаемого сплава (составы 1, 2, 3) в сравнении со сплавом-прототипом (состав 4).Tables 2 and 3 present the test results for heat resistance, heat resistance and crack resistance of the proposed alloy (compounds 1, 2, 3) in comparison with the prototype alloy (composition 4).

Эксперименты проводились на промышленных установках направленной кристаллизации УВНК-8П (жидкометаллический кристаллизатор - алюминий). Контрольная заливка проводилась на специальных тестовых блоках. Блоки изготовлены из керамики на основе электрокорунда со связующим - гидролизованным раствором этилсиликата-40. Заливка проводилась сплавом-прототипом, содержащим до 0,3 мас.% гафния, и сплавами, имеющими состав в пределах предлагаемого изобретения.The experiments were carried out on industrial installations of directional crystallization UVNK-8P (liquid metal crystallizer - aluminum). Control fill was carried out on special test blocks. The blocks are made of ceramic based on electrocorundum with a binder - hydrolyzed solution of ethyl silicate-40. The casting was carried out by a prototype alloy containing up to 0.3 wt.% Hafnium, and alloys having a composition within the scope of the invention.

Для проверки склонности к трещинообразованию была предложена специальная методика, которая включала заливку специального литейного блока и анализ макроструктуры полученных отливок. В предложенном блоке из 9-ти цилиндрических заготовок, расположенных в три ряда, две или три цилиндрических заготовки в каждом ряду соединялись пластинами толщиной 1-1,5мм. При проведении процесса высокоградиентной направленной кристаллизации на этих пластинах возникали границы зерен (металл прорастал от разных цилиндрических заготовок). В случае возникновения трещины по границе зерен, считалось, что сплав имеет недостаточную трещиностойкость. В противном случае трещиностойкость была удовлетворительной.To test the tendency to crack formation, a special technique was proposed, which included pouring a special casting block and analysis of the macrostructure of the obtained castings. In the proposed block of 9 cylindrical billets arranged in three rows, two or three cylindrical billets in each row were connected by plates 1-1.5 mm thick. During the process of high-gradient directional crystallization, grain boundaries appeared on these plates (metal sprouted from different cylindrical billets). In the event of a crack along the grain boundary, it was believed that the alloy has insufficient crack resistance. Otherwise, crack resistance was satisfactory.

Как видно из таблиц 2 и 3 предлагаемый сплав имеет высокий уровень жаропрочности и жаростойкости на уровне известного сплава, по трещиностойкости предложенный сплав на порядок превышает сплав-прототип.As can be seen from tables 2 and 3, the proposed alloy has a high level of heat resistance and heat resistance at the level of the known alloy, in terms of crack resistance, the proposed alloy is an order of magnitude higher than the prototype alloy.

Таким образом, предложенный сплав имеет технологичность, необходимую для получения отливок в условиях высокоградиентной кристаллизации, и на порядок снижает брак рабочих лопаток газотурбинных двигателей и установок по горячим трещинам, что позволит увеличить ресурс и надежность изделий ГТД, выполненных из предлагаемого сплава.Thus, the proposed alloy has the manufacturability necessary to obtain castings under conditions of high gradient crystallization, and reduces the rejects of working blades of gas turbine engines and plants by hot cracks by an order of magnitude, which will increase the resource and reliability of gas turbine engine products made of the proposed alloy.

Таблица 1.
Химический состав сплавов.
Table 1.
The chemical composition of the alloys.
Легирующие элементыAlloying elements Содержание легирующих элементов (мас.%)The content of alloying elements (wt.%) Предлагаемые сплавыSuggested Alloys Сплав-прототип*Prototype Alloy * 11 22 33 ХромChromium 9,09.0 5,05,0 7,07.0 5,35.3 КобальтCobalt 7,57.5 10,010.0 5,05,0 10,710.7 ВольфрамTungsten 8,08.0 10,010.0 12,012.0 12,012.0 МолибденMolybdenum 2,52,5 0,50.5 1,51,5 1,051.05 ТитанTitanium 1,01,0 2,02.0 3,03.0 1,81.8 НиобийNiobium 1,81.8 1,01,0 1,41.4 1,31.3 АлюминийAluminum 5,25.2 6,06.0 4,54,5 7,57.5 БорBoron 0,0010.001 0,010.01 0,020.02 0,170.17 ИттрийYttrium 0,050.05 0,0050.005 0,0250,025 0,010.01 УглеродCarbon 0,050.05 0,150.15 0,250.25 0,10.1 ГафнийHafnium -- -- -- 0,30.3 ТанталTantalum 0,80.8 1,51,5 0,250.25 -- КремнийSilicon 0,050.05 0,010.01 0,010.01 -- КальцийCalcium 0,0010.001 0,0050.005 0,010.01 -- ЦерийCerium -- -- -- 0,030,03 ЛантанLanthanum -- -- -- 0,0250,025 ПразеодимPraseodymium -- -- -- 0,0120.012 НеодимNeodymium -- -- -- 0,090.09 НикельNickel остальноеrest

Таблица 2
Склонность к трещиностойкости при направленной кристаллизации отливки в высокоградиентной печи УВНК-8П.
table 2
Tendency to crack resistance during directional crystallization of a casting in a high-gradient UVK-8P furnace.
№ сплаваAlloy number Длина горячей трещины, ммThe length of a hot crack, mm Количество трещинCrack count 11 0,2-0,30.2-0.3 1-21-2 22 00 00 33 00 00 Сплав-прототипPrototype alloy до 25up to 25 88

Таблица 3
Свойства сплавов
Table 3
Alloy Properties
СплавAlloy Долговечность образцов при испытании на длительную прочность по режиму, часThe durability of the samples when tested for long-term strength mode, hour Привес образцов 1100°С-100 час, г/м2 Prywes samples 1100 ° C-100 h, g / m 2 Привес образцов 1000°С-225 час, г/м2 The weight gain of the samples 1000 ° C-225 hours, g / m 2 Т=975°С
σ=270 МПа
T = 975 ° C
σ = 270 MPa
Т=1100°С
σ=120 МПа
T = 1100 ° C
σ = 120 MPa
11 7575 8686 1616 13thirteen 22 8080 9090 1414 1010 33 7676 8585 1414 11eleven 44 7878 8888 15fifteen 11eleven где, σ=270 МПа и σ=120 МПа - механическое напряжение при испытании на длительную прочность при указанных температурахwhere, σ = 270 MPa and σ = 120 MPa - mechanical stress when tested for long-term strength at specified temperatures

Claims (2)

1. Жаропрочный литейный сплав на основе никеля, содержащий хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, ниобий, алюминий, бор, иттрий и углерод, отличающийся тем, что он дополнительно содержит тантал, кремний и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:1. Heat-resistant casting alloy based on nickel, containing chromium, cobalt, tungsten, molybdenum, titanium, niobium, aluminum, boron, yttrium and carbon, characterized in that it additionally contains tantalum, silicon and calcium in the following ratio of components, wt.% : Хром 5,0-9,0Chrome 5.0-9.0 Кобальт 5,0-10,0Cobalt 5.0-10.0 Вольфрам 8,0-12,0Tungsten 8.0-12.0 Молибден 0,5-2,5Molybdenum 0.5-2.5 Титан 1,0-3,0Titanium 1.0-3.0 Ниобий 1,0-1,8Niobium 1.0-1.8 Алюминий 4,5-6,0Aluminum 4.5-6.0 Бор 0,001-0,02Boron 0.001-0.02 Иттрий 0,005-0,05Yttrium 0.005-0.05 Углерод 0,05-0,25Carbon 0.05-0.25 Тантал 0,25-1,5Tantalum 0.25-1.5 Кремний 0,01-0,1Silicon 0.01-0.1 Кальций 0,001-0,01Calcium 0.001-0.01 Никель ОстальноеNickel Else 2. Изделие из жаропрочного литейного сплава на основе никеля, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п.1.2. A product from a heat-resistant casting alloy based on nickel, characterized in that it is made of an alloy according to claim 1.
RU2004115648/02A 2004-05-24 2004-05-24 Nickel-base heat-resistant alloy and article made of thereof RU2256715C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004115648/02A RU2256715C1 (en) 2004-05-24 2004-05-24 Nickel-base heat-resistant alloy and article made of thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004115648/02A RU2256715C1 (en) 2004-05-24 2004-05-24 Nickel-base heat-resistant alloy and article made of thereof

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2256715C1 true RU2256715C1 (en) 2005-07-20

Family

ID=35842572

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2004115648/02A RU2256715C1 (en) 2004-05-24 2004-05-24 Nickel-base heat-resistant alloy and article made of thereof

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2256715C1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0413439B1 (en) Low carbon directional solidification alloy
JPH11310839A (en) Grain-oriented solidification casting of high strength nickel-base superalloy
JP4036091B2 (en) Nickel-base heat-resistant alloy and gas turbine blade
KR20040007212A (en) Nickel base superalloys and turbine components fabricated therefrom
CA2586974C (en) Nickel-base superalloy
US20130142637A1 (en) Low rhenium single crystal superalloy for turbine blades and vane applications
JP4719583B2 (en) Unidirectional solidification nickel-base superalloy excellent in strength, corrosion resistance and oxidation resistance and method for producing unidirectional solidification nickel-base superalloy
CA2864507C (en) High strength single crystal superalloy
JP4266196B2 (en) Nickel-base superalloy with excellent strength, corrosion resistance and oxidation resistance
JP5626920B2 (en) Nickel-base alloy castings, gas turbine blades and gas turbines
JP5558050B2 (en) Nickel-base superalloy for unidirectional solidification with excellent strength and oxidation resistance
US4721540A (en) Low density single crystal super alloy
JP2015529743A (en) Nickel-base superalloy, method of nickel-base superalloy, and components formed from nickel-base superalloy
RU2256715C1 (en) Nickel-base heat-resistant alloy and article made of thereof
JP3679973B2 (en) Single crystal Ni-base heat-resistant alloy, turbine blade and gas turbine
US3677331A (en) Casting process for nickel base alloys
EP0032812B1 (en) Nickel base alloy and turbine engine blade cast therefrom
RU2215804C2 (en) Nickel-base heat-resistant alloy and article made of thereof
US8241560B2 (en) Nickel base superalloy and single crystal castings
RU2186144C1 (en) Refractory nickel alloy for single-crystal casting and product made from this alloy
RU2802841C1 (en) Heat-resistant nickel-based casting alloy and a product made from it
RU2297466C2 (en) Monocrystal nickel heat-resistant alloy
RU2318030C1 (en) Heat-resistant alloy on the basis of the nickel and the article manufactured out of this alloy
RU2325453C2 (en) Nickel-based heat resistant alloy
RU2256714C1 (en) HEAT-RESISTANT ALLOY BASED ON INTERMETALLIDE Ni3Al AND ARTICLE MADE OF THEREOF