RU2293782C1 - Никелевый жаропрочный сплав для монокристаллического литья и изделие, выполненное из него - Google Patents

Никелевый жаропрочный сплав для монокристаллического литья и изделие, выполненное из него Download PDF

Info

Publication number
RU2293782C1
RU2293782C1 RU2005125774/02A RU2005125774A RU2293782C1 RU 2293782 C1 RU2293782 C1 RU 2293782C1 RU 2005125774/02 A RU2005125774/02 A RU 2005125774/02A RU 2005125774 A RU2005125774 A RU 2005125774A RU 2293782 C1 RU2293782 C1 RU 2293782C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
alloy
nickel
heat
molybdenum
ruthenium
Prior art date
Application number
RU2005125774/02A
Other languages
English (en)
Inventor
Игорь Леонидович Светлов (RU)
Игорь Леонидович Светлов
Николай Васильевич Петрушин (RU)
Николай Васильевич Петрушин
Евгений Николаевич Каблов (RU)
Евгений Николаевич Каблов
Виктор Васильевич Сидоров (RU)
Виктор Васильевич Сидоров
Виктор Владимирович Герасимов (RU)
Виктор Владимирович Герасимов
Константин Константинович Хвацкий (RU)
Константин Константинович Хвацкий
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ")
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" (ФГУП "ВИАМ") filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ")
Priority to RU2005125774/02A priority Critical patent/RU2293782C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2293782C1 publication Critical patent/RU2293782C1/ru

Links

Landscapes

  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Изобретение относится к металлургии сплавов, в частности к производству никелевых жаропрочных сплавов и изготовлению из них изделий с монокристаллической структурой, например лопаток газовых турбин. Предложены жаропрочный сплав и изделие из него. Сплав имеет следующий химический состав, мас.%: хром 2,1-3,3, кобальт 5,0-7,0, молибден 3,5-5,0, вольфрам 3,2-4,8, тантал 4,0-5,0, рений 5,6-7,0, рутений 2,0-6,0, алюминий 5,7-6,3, углерод 0,002-0,02, бор 0,0004-0,004, иттрий 0,002-0,02, церий 0,001-0,02, лантан 0,002-0,25, неодим 0,0005-0,01, никель остальное. Технический результат - получение сплава с плотностью 8,8-8,9 г/см3, обладающего высокой фазовой стабильностью и повышенными характеристиками жаропрочности в интервале температур 1100-1150°С. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.

Description

Изобретение относится к металлургии сплавов, в частности к производству никелевых жаропрочных сплавов и изготовлению из них изделий с монокристаллической структурой, например лопаток газовых турбин.
Известен никелевый жаропрочный сплав и изделие из него следующего химического состава, мас.%:
Хром 3,5-7,5
Молибден 0-1,5
Вольфрам 3,5-8,5
Тантал 4,5-9,0
Рений 1,5-5,5
Рутений 0-5,5
Алюминий 5,0-6,5
Титан 0-2,5
Гафний 0,08-0,12
Кремний 0,08-0,12
Иттрий 0-0,05
Никель остальное
[патент ЕР №0971041, B1]
Известный сплав и изделия из этого сплава предпочтительного химического состава с монокристаллической структурой, например лопатки газовой турбины, обладают достаточно высокими удельными характеристиками длительной прочности в интервале температур 760-950°С. Однако в рабочем интервале температур 1050-1100°С и долговечностях выше 500 ч заявленный уровень длительной прочности не удовлетворяет современным требованиям, предъявляемым к жаропрочным сплавам для литья монокристаллических лопаток газовых турбин нового поколения.
Известен никелевый жаропрочный сплав и выполненное из него изделие следующего химического состава, мас.%:
Хром 4-5
Кобальт 11-14
Молибден 0-1
Вольфрам 4-8
Тантал 6-10
Рений 5,5-8
Рутений 0-6
Алюминий 5-7
Гафний 0-0,5
Углерод 0-0,07
Ниобий 0-1,0
Бор 0-0,01
Иттрий 0-0,03
Никель остальное
[патент США №5151249]
После термической обработки характеристики длительной прочности
Figure 00000001
одной из предпочтительной композиции сплава достигают следующих максимальных значений: при температуре 1093°С и напряжении 126 МПа время до разрушения составляет 1195 ч, а при температуре 982°С и напряжении 280 МПа время до разрушения составляет 484 ч. Сплав склонен к выделению ТПУ фазы, ее объемная доля в структуре сплава составляет 1,0%. Сплав предпочтительного состава имеет высокую плотность 9,1 г/см3 и по удельным характеристикам длительной прочности не обладает преимуществом по сравнению с первым сплавом.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является никелевый жаропрочный сплав для монокристаллического литья и изделие, выполненное из этого сплава следующего химического состава, мас.%:
Хром 1,25-6,0
Кобальт 4,25-17,0
Молибден 0,9-2,0
Вольфрам 3,0-7,5
Тантал 5,8-10,7
Рений 4,5-5,75
Рутений 0,4-6,5
Алюминий 5,0-6,6
Титан 0-1,0
Гафний 0-0,05
Углерод 0-0,06
Ниобий 0-1,0
Бор 0-0,01
Иттрий 0-0,02
Никель остальное
Суммарное содержание в ат.% элементов первой группы (Мо, Cr, Nb) составляет 1,5-8,0%, второй группы (Al, Ti, W) - 13,5-17,2% [патент США №5482789].
Известный сплав и монокристаллическое изделие из этого сплава предпочтительного химического состава имеет весьма высокую долговечность, равную 618 часов при температуре 1093°С и напряжении 124 МПа. Недостатком известного сплава является склонность к образованию вредных топологически плотно упакованных (ТПУ) фаз, образующихся при длительном (200 ч) высокотемпературном (1050°С) воздействии, что приводит к преждевременному разрушению сплава и изделия из него. Плотность сплава - 8,8 г/см3.
Отрицательное влияние ТПУ фаз на долговременные высокотемпературные свойства жаропрочного сплава и изделий из него проявляются в том, что эти хрупкие фазы игольчатой морфологии являются концентраторами напряжений, на которых зарождаются микротрещины, ведущие к преждевременному разрушению. Помимо этого, ТПУ фазы связывают значительное количество тугоплавких элементов (рений, вольфрам, молибден) и их концентрация в γ- и γ'-фазах понижается. Тем самым снижается эффективность механизмов твердорастворного и дисперсионного упрочнения сплава. В результате характеристики длительной прочности сплава и монокристаллического изделия из этого сплава уменьшаются. Кроме того, высокая суммарная концентрация γ'-образующих элементов, таких как алюминий, титан и тантал, обуславливает большую объемную долю эвтектики γ+γ' в литом состоянии, для растворения которой требуются длительные гомогенизирующие отжиги при высоких температурах.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание никелевого жаропрочного сплава для монокристаллического литья и изделия из него с плотностью ≤8,9 г/см3 и с повышенными характеристиками фазовой стабильности, жаропрочности и технологичности.
Для достижения поставленной задачи предложен никелевый жаропрочный сплав для монокристаллического литья, содержащий хром, кобальт, молибден, вольфрам, тантал, рений, рутений, алюминий, углерод, бор, иттрий, в который дополнительно введены церий, лантан и неодим при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Хром 2,1-3,3
Кобальт 5,0-7,0
Молибден 3,5-5,0
Вольфрам 3,2-4,8
Тантал 4,0-5,0
Рений 5,6-7,0
Рутений 2,0-6,0
Алюминий 5,7-6,3
Углерод 0,002-0,02
Бор 0,0004-0,004
Иттрий 0,002-0,02
Церий 0,001-0,02
Лантан 0,002-0,25
Неодим 0,0005-0,01
Никель остальное
и изделие, выполненное из него.
Повышение высокотемпературной длительной прочности предложенного сплава достигается за счет синергетического действия редкоземельных элементов La, Се и Nd вместе с тугоплавкими элементами Мо и Ru при заявленном соотношении остальных легирующих элементов. Совместное легирование несколькими редкоземельными элементами La, Се и Nd значительно усиливает сопротивление окислению никелевых жаропрочных сплавов по сравнению с введением в сплав одного любого из них.
Дополнительными исследованиями радиоизотопными методами было обнаружено новое физическое явление, состоящее в том, что атомы редкоземельных элементов La, Се и Nd адсорбируются на межфазных поверхностях раздела между частицами γ'-фазы и γ-твердого раствора и упрочняют межфазные поверхности. Совокупное влияние на упрочнение поверхностей раздела суммы этих элементов в заявленных пределах намного превосходит вклад каждого элемента в отдельности, и, как следствие, наблюдается значительное повышение характеристик длительной прочности.
Молибден и рутений в основном растворяются в γ-твердом растворе сплава и материала изделия из него примерно с одинаковыми коэффициентами распределения между γ'-фазой и γ-раствором. Совместное действие рутения и молибдена в заявляемых соотношениях вызывает значительно большее увеличение периода кристаллической решетки γ-твердого раствора и, тем самым, повышение параметра размерного несоответствия периодов кристаллических решеток γ- и γ'-фаз (мисфита) по сравнению с их раздельным влиянием на этот важный фактор жаропрочности. В результате повышается сопротивление длительной высокотемпературной ползучести.
Кроме того, рутений, имея более узкие концентрационные и температурные области существования ТПУ фаз с основными ТПУ-образующими элементами, такими как вольфрам, молибден и хром, в никелевом жаропрочном сплаве и изделии из него стабилизирует γ-твердый раствор, уменьшая тем самым склонность сплава к образованию ТПУ фаз.
Пониженное содержание тантала в предлагаемом сплаве обеспечивает достижение заявленного значения плотности сплава 8,9 г/см.3
Исключение из химического состава заявляемого сплава γ'-образующих элементов, таких как титан, ниобий и гафний, наряду с легированием γ-стабилизирующими элементами такими, как рутений и молибден, способствует понижению объемной доли эвтектической составляющей в литой структуре сплава и тем самым улучшает технологические свойства заявляемого сплава, в частности режимы горячего изостатического прессования для залечивания микропор и режимы последующей термической обработки.
Пример осуществления. В лабораторных условиях были выплавлены в вакуумной индукционной печи четыре сплава предлагаемого состава и один сплав предпочтительного состава, взятого за прототип. Химические составы предлагаемого сплава и сплава прототипа приведены в таблице 1. Затем эти сплавы переплавляли в вакуумной печи для направленной кристаллизации в виде цилиндрических слитков диаметром 16 мм и длиной 190 мм с монокристаллической структурой и осевой ориентацией, близкой к кристаллографическому направлению <001>. Далее из этих слитков изготавливали образцы для дифференциального термического анализа, по результатам которого определяли температуры полного растворения упрочняющей γ'-фазы Tп.р., локального плавления Тл.пл.. С учетом этих температур отливки подвергали термической обработке, включающей гомогенизирующий отжиг и 2-ступенчатое старение. Из термически обработанных таким образом монокристаллических отливок изготавливали образцы для механических испытаний на длительную прочность (длина образца 70 мм, рабочая база 25 мм, рабочий диаметр 5 мм), рентгеноструктурного и металлографического анализов, по результатам которых определяли длительную прочность, параметр размерного несоответствия периодов кристаллических решеток γ- и γ'-фаз (мисфит) Δа и объемные доли выделений эвтектики (γ+γ') Vэвт и микропор гомогенизации Vп.г.. Испытания на длительную прочность проводили на воздухе при температурах 1150 и 1100°С и напряжениях 85 и 120 МПа соответственно. Определение параметра размерного несоответствия периодов кристаллических решеток γ- и γ'-фаз (мисфита) и объемную долю микропор гомогенизации осуществляли при комнатной температуре. Полученные характеристики композиций сплава и изделий, выполненных из него, приведены в таблице 2. Как видно из таблицы 2, предлагаемый сплав и изделие, выполненное из него, имеют меньшую долю выделений эвтектики (γ+γ') и микропор гомогенизации и высокую величину размерного несоответствия периодов кристаллических решеток γ- и γ'-фаз. Кроме того, значения параметров
Figure 00000002
и
Figure 00000003
характеризующих фазовую стабильность предлагаемого сплава меньше критических, что свидетельствует об отсутствии склонности его к выделению вредных ТПУ фаз. В результате стабилизации фазового состава и совместного действия редкоземельных элементов характеристики длительной прочности (долговечность) предлагаемого сплава и изделия из него при температуре 1150°С, напряжении 85 МПа и при температуре 1100°С и напряжении 120 МПа больше в 2 раза, чем таковые для сплава и изделия из него, взятого за прототип. Плотность сплава и изделия из него составляет 8,8-8,9 г/см3.
Технологическое преимущество предлагаемого сплава заключается в меньшей объемной доле неравновесной эвтектики (γ+γ') и, как следствие, микропор, возникающих при растворении эвтектики в процессе гомогенизации. В свою очередь, это обстоятельство позволяет сократить время и снизить величину давления при горячем изостатическом прессовании, в процессе которого микропоры залечиваются.
Таким образом, предлагаемый никелевый жаропрочный сплав и изделие из него значительно превосходит известный сплав и изделие из него по характеристикам фазовой стабильности и длительной прочности в интервале температур 1100-1150°С, что позволяет его рекомендовать для производства монокристаллических турбинных лопаток.
Литература
1. 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.
2. Морозова Г.И. Закономерность формирования химического состава γ'/γ-матриц многокомпонентных никелевых сплавов //ДАН СССР. 1991. Т.320, №6. С.1413-1416.
Figure 00000004
Figure 00000005

Claims (2)

1. Никелевый жаропрочный сплав для монокристаллического литья, содержащий хром, кобальт, молибден, вольфрам, тантал, рений, рутений, алюминий, углерод, бор, иттрий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит церий, лантан и неодим при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Хром 2,1-3,3 Кобальт 5,0-7,0 Молибден 3,5-5,0 Вольфрам 3,2-4,8 Тантал 4,0-5,0 Рений 5,6-7,0 Рутений 2,0-6,0 Алюминий 5,7-6,3 Углерод 0,002-0,02 Бор 0,0004-0,004 Иттрий 0,002-0,02 Церий 0,001-0,02 Лантан 0,002-0,25 Неодим 0,0005-0,01 Никель Остальное
2. Изделие из никелевого жаропрочного сплава для монокристаллического литья, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п.1.
RU2005125774/02A 2005-08-15 2005-08-15 Никелевый жаропрочный сплав для монокристаллического литья и изделие, выполненное из него RU2293782C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2005125774/02A RU2293782C1 (ru) 2005-08-15 2005-08-15 Никелевый жаропрочный сплав для монокристаллического литья и изделие, выполненное из него

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2005125774/02A RU2293782C1 (ru) 2005-08-15 2005-08-15 Никелевый жаропрочный сплав для монокристаллического литья и изделие, выполненное из него

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2293782C1 true RU2293782C1 (ru) 2007-02-20

Family

ID=37863440

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2005125774/02A RU2293782C1 (ru) 2005-08-15 2005-08-15 Никелевый жаропрочный сплав для монокристаллического литья и изделие, выполненное из него

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2293782C1 (ru)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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
CN106521244A (zh) * 2016-12-16 2017-03-22 北京航空航天大学 一种稀土改性的高Mo的Ni3Al基单晶高温合金及其制备方法
RU2710759C1 (ru) * 2019-03-06 2020-01-13 Акционерное общество "Объединенная двигателестроительная корпорация" (АО "ОДК") Жаропрочный сплав на никелевой основе и изделие, выполненное из него
US11268170B2 (en) 2017-11-14 2022-03-08 Safran Nickel-based superalloy, single-crystal blade and turbomachine
RU2768947C1 (ru) * 2021-06-24 2022-03-25 Публичное акционерное общество "ОДК-Уфимское моторостроительное производственное объединение (ПАО "ОДК-УМПО") Жаропрочный никелевый сплав для литья деталей с монокристаллической структурой
RU2774764C2 (ru) * 2017-11-14 2022-06-22 Сафран Суперсплав на никелевой основе, монокристаллическая лопатка и турбомашина
US11396685B2 (en) 2017-11-14 2022-07-26 Safran Nickel-based superalloy, single-crystal blade and turbomachine

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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
CN106521244A (zh) * 2016-12-16 2017-03-22 北京航空航天大学 一种稀土改性的高Mo的Ni3Al基单晶高温合金及其制备方法
US11268170B2 (en) 2017-11-14 2022-03-08 Safran Nickel-based superalloy, single-crystal blade and turbomachine
RU2774764C2 (ru) * 2017-11-14 2022-06-22 Сафран Суперсплав на никелевой основе, монокристаллическая лопатка и турбомашина
US11396685B2 (en) 2017-11-14 2022-07-26 Safran Nickel-based superalloy, single-crystal blade and turbomachine
RU2780326C2 (ru) * 2017-11-14 2022-09-21 Сафран Суперсплав на никелевой основе, монокристаллическая лопатка и турбомашина
US11725261B2 (en) 2017-11-14 2023-08-15 Safran Nickel-based superalloy, single-crystal blade and turbomachine
RU2710759C1 (ru) * 2019-03-06 2020-01-13 Акционерное общество "Объединенная двигателестроительная корпорация" (АО "ОДК") Жаропрочный сплав на никелевой основе и изделие, выполненное из него
RU2768947C1 (ru) * 2021-06-24 2022-03-25 Публичное акционерное общество "ОДК-Уфимское моторостроительное производственное объединение (ПАО "ОДК-УМПО") Жаропрочный никелевый сплав для литья деталей с монокристаллической структурой
RU2821248C1 (ru) * 2024-03-14 2024-06-18 Общество с ограниченной ответственностью Научно-технический центр "Технологии Специальной Металлургии" Литейный жаропрочный никелевый сплав с монокристальной структурой для лопаток газотурбинных двигателей

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9945019B2 (en) Nickel-based heat-resistant superalloy
RU2293782C1 (ru) Никелевый жаропрочный сплав для монокристаллического литья и изделие, выполненное из него
US6444057B1 (en) Compositions and single-crystal articles of hafnium-modified and/or zirconium-modified nickel-base superalloys
JP4036091B2 (ja) ニッケル基耐熱合金及びガスタービン翼
RU2415959C1 (ru) МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ СУПЕРСПЛАВ НА ОСНОВЕ Ni И СОДЕРЖАЩАЯ ЕГО ЛОПАТКА ТУРБИНЫ
JPH08505432A (ja) 単結晶ニッケル・ベース超合金
RU2482205C1 (ru) МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ СУПЕРСПЛАВ НА ОСНОВЕ Ni И ВКЛЮЧАЮЩАЯ ЕГО ЛОПАТКА ТУРБИНЫ
US6740292B2 (en) Nickel-base superalloy
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
JPWO2006104059A1 (ja) コバルトフリーのNi基超合金
JP5558050B2 (ja) 強度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
RU2484167C1 (ru) СПЛАВ НА ОСНОВЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДА Ni3Al И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО
JP5747410B2 (ja) 耐熱チタン合金
RU2439184C1 (ru) Жаропрочный сплав на никелевой основе для монокристаллического литья
US9017605B2 (en) Nickel-based superalloy
RU2434068C1 (ru) СПЛАВ НА ОСНОВЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДА Ni3Al
EP1760164B1 (en) Nickel-base superalloy
RU2434069C1 (ru) Литейный жаропрочный сплав на основе никеля
RU2439185C1 (ru) Жаропрочный литейный сплав на основе никеля
BR112020005771A2 (pt) componente de turbina, pá de turbina, estator de turbina, turbina e método para fabricar um componente de turbina
Shi et al. Effect of Hf on stress rupture properties of DD6 single crystal superalloy after long term aging
RU2588949C1 (ru) СПЛАВ НА ОСНОВЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДА Ni3Al И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО
EP2415888A2 (en) Improved low sulfur nickel-base single crystal superalloy with ppm additions of lanthanum and yttrium
RU2153021C1 (ru) Никелевый жаропрочный сплав для монокристального литья
RU2398906C1 (ru) СПЛАВ НА ОСНОВЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДА Ni3Al