RU2361011C1 - Processing method of casts made of heat-resistant nickel alloys for single-crystal foundaring - Google Patents

Processing method of casts made of heat-resistant nickel alloys for single-crystal foundaring Download PDF

Info

Publication number
RU2361011C1
RU2361011C1 RU2007137803/02A RU2007137803A RU2361011C1 RU 2361011 C1 RU2361011 C1 RU 2361011C1 RU 2007137803/02 A RU2007137803/02 A RU 2007137803/02A RU 2007137803 A RU2007137803 A RU 2007137803A RU 2361011 C1 RU2361011 C1 RU 2361011C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
alloy
temperature
nickel
alloys
heat
Prior art date
Application number
RU2007137803/02A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2007137803A (en
Inventor
Юрий Сергеевич Елисеев (RU)
Юрий Сергеевич Елисеев
Валерий Александрович Поклад (RU)
Валерий Александрович Поклад
Ольга Геннадиевна Оспенникова (RU)
Ольга Геннадиевна Оспенникова
Валентин Николаевич Ларионов (RU)
Валентин Николаевич Ларионов
Александр Вячеславович Логунов (RU)
Александр Вячеславович Логунов
Игорь Михайлович Разумовский (RU)
Игорь Михайлович Разумовский
Всеволод Игоревич Разумовский (RU)
Всеволод Игоревич Разумовский
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Московское машиностроительное производственное предприятие "Салют"
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 "Московское машиностроительное производственное предприятие "Салют" filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Московское машиностроительное производственное предприятие "Салют"
Priority to RU2007137803/02A priority Critical patent/RU2361011C1/en
Publication of RU2007137803A publication Critical patent/RU2007137803A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2361011C1 publication Critical patent/RU2361011C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

FIELD: metallurgy.
SUBSTANCE: invention relates to alloys metallurgy, particularly to manufacturing of alloys on the basis of nickel, used for parts with single-crystal structure, for instance, turbine blades, operating at high temperatures. For increasing of endurance strength and strength properties of products there are treated casts from alloy, containing nickel, chrome, cobalt, tungsten, aluminium, tantalum, rhenium, ittrium, lanthanum and cerium. Quantitative content of alloy components, wt %, is chosen from following conditions: W > Ta >Re and 15.1 ≤ (W+Ta+Re) ≤ 31.0. Cast is subject to homogenising by means of stepped heating up to temperature (Tts.-15°C) ≤ Thom. ≤ (Tts.+10°C), where Tts. - temperature of total solution γ'- phase in alloy, isolation at particular temperature and cooling at a rate 50-100 grad./min. Then it is implemented aging at two stages. Before thermal treatment casts can be subject to high-temperature gas-lubricated pressing for removing of foundry microporosity.
EFFECT: increasing of endurance strength and strength properties of products.
5 cl, 2 tbl, 2 dwg, 2 ex

Description

Изобретение относится к металлургии сплавов, а именно к производству сплавов на основе никеля, используемых для изготовления деталей с монокристаллической структурой, например лопаток турбин, и установок, работающих при высоких температурах.The invention relates to the metallurgy of alloys, in particular to the production of nickel-based alloys used for the manufacture of parts with a single crystal structure, for example, turbine blades, and installations operating at high temperatures.

Известен никелевый жаропрочный сплав для монокристального литья, содержащий хром, кобальт, алюминий, вольфрам, ниобий, молибден, тантал, церий, иттрий, лантан и никель при соблюдении условия 10,5≈(1/2W+1/2Ta+Nb+Мо)≈11,5 (патент РФ №1776076, МКИ С22С 19/05, опубл. 1990 г.), - аналог.Known heat-resistant nickel alloy for single crystal casting containing chromium, cobalt, aluminum, tungsten, niobium, molybdenum, tantalum, cerium, yttrium, lanthanum and nickel subject to the condition 10.5≈ (1 / 2W + 1 / 2Ta + Nb + Mo) ≈11.5 (RF patent No. 1776076, MKI C22C 19/05, publ. 1990), - analogue.

Известен никелевый жаропрочный сплав для монокристального литья, содержащий кобальт, хром, молибден, вольфрам, алюминий, титан, гафний, рений при условии (рений + хром) не менее 4,0 мас.%, (рений + молибден + вольфрам + хром) не менее 18 мас.%, и способ его изготовления (заявка US 2002/0062886, опубл. 30.05.2002 г.) - аналог.Known heat-resistant nickel alloy for single crystal casting containing cobalt, chromium, molybdenum, tungsten, aluminum, titanium, hafnium, rhenium, provided (rhenium + chromium) not less than 4.0 wt.%, (Rhenium + molybdenum + tungsten + chromium) not less than 18 wt.%, and the method of its manufacture (application US 2002/0062886, publ. 30.05.2002) - analogue.

Известные сплавы обладают недостаточно высокой жаропрочностью, так как не оптимально сбалансированы по количественному составу компонентов.Known alloys have insufficient heat resistance, as they are not optimally balanced in the quantitative composition of the components.

Известен жаропрочный сплав CMSX-4, который также применяется в качестве материала для монокристальных лопаток и представляет собой безуглеродистый монокристальный ренийсодержащий сплав (патент США №4643782, МПК С22С 19/05, 1987.02.17) - аналог.Known heat-resistant alloy CMSX-4, which is also used as a material for single-crystal vanes and is a carbon-free single-crystal rhenium-containing alloy (US patent No. 4643782, IPC С22С 19/05, 1987.02.17) - analogue.

Известный сплав имеет следующий химический состав (мас.%): кобальт - 9,3-10,0, хром - 6,4-6,8, молибден - 0,5-0,7, вольфрам - 6,2-6,6, тантал - 6,3-6,7, алюминий - 5,45-5,75, титан - 0,8-1,2, гафний - 0,02-0,12, рений - 2,8-3,2, никель - остальное до 100%.The known alloy has the following chemical composition (wt.%): Cobalt - 9.3-10.0, chromium - 6.4-6.8, molybdenum - 0.5-0.7, tungsten - 6.2-6, 6, tantalum - 6.3-6.7, aluminum - 5.45-5.75, titanium - 0.8-1.2, hafnium - 0.02-0.12, rhenium - 2.8-3, 2, nickel - the rest is up to 100%.

Известный сплав, принятый за прототип, также имеет недостаточно высокую жаропрочность (предел сточасовой прочности при температуре 1000°С равен 26 кгс/мм2) и, кроме того, у него проявляется фазовая нестабильность, связанная с выделением топологически плотноупакованных (ТПУ) фаз. Изделия, полученные из сплава CMSX-4, обладают недостаточным уровнем жаропрочности при длительной эксплуатации в температурном интервале 900-1100°С.The known alloy adopted as a prototype also has insufficient heat resistance (the hourly strength limit at a temperature of 1000 ° C is 26 kgf / mm 2 ) and, in addition, it exhibits phase instability associated with the release of topologically close packed (TPU) phases. Products obtained from the CMSX-4 alloy have an insufficient level of heat resistance during long-term operation in the temperature range of 900-1100 ° С.

Известен способ термической обработки, применяющийся для монокристаллических отливок никелевых жаропрочных сплавов, включающий три этапа: на первом этапе детали нагревают до температуры полного растворения γ'-фазы (температура solvus для γ'-фазы в данном сплаве), выдерживают от нескольких минут до нескольких часов и охлаждают со скоростью более 100°С/мин; на втором этапе производят нагрев детали до температуры, близкой к рабочим температурам 1000-1050°С, выдерживают и охлаждают со скоростью более 100°С/мин; на третьем этапе детали нагревают до температуры 870-900°С, выдерживают и охлаждают (Каблов Е.Н. Литые лопатки газотурбинных двигателей (сплавы, технологии, покрытия). - М.: МИСИС, 2001 г., с.110-115) - аналог.There is a known method of heat treatment used for single-crystal castings of heat-resistant nickel alloys, which includes three stages: at the first stage, the parts are heated to the temperature of complete dissolution of the γ'-phase (solvus temperature for the γ'-phase in this alloy), can withstand from several minutes to several hours and cooled at a rate of more than 100 ° C / min; at the second stage, the part is heated to a temperature close to operating temperatures of 1000-1050 ° C, maintained and cooled at a speed of more than 100 ° C / min; at the third stage, the parts are heated to a temperature of 870-900 ° C, maintained and cooled (Kablov E.N. Cast blades of gas turbine engines (alloys, technologies, coatings). - M .: MISIS, 2001, p.110-115) - analogue.

Недостатком этого способа является увеличение размера литейных микропор и суммарного количества микропор в результате термической обработки, что приводит к снижению прочностных и усталостных характеристик сплава, например, таких как длительная прочность.The disadvantage of this method is the increase in the size of casting micropores and the total number of micropores as a result of heat treatment, which leads to a decrease in strength and fatigue characteristics of the alloy, for example, such as long-term strength.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является повышение предела выносливости и прочностных характеристик изделий, изготовленных из никелевых сплавов заявляемым способом, например длительной прочности σ1001000 не менее 300 МПа.The technical result to which the claimed invention is directed is to increase the endurance limit and strength characteristics of products made of nickel alloys by the claimed method, for example, long-term strength σ 100 1000 of at least 300 MPa.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе обработки отливок из жаропрочного никелевого сплава для монокристального литья, содержащего никель, хром, кобальт, вольфрам, алюминий, тантал, рений, иттрий, лантан и церий при выполнении условий 15,1≤(W+Ta+Re)≤31,0 мас.%, отливку подвергают термической обработке, в качестве термической обработки используют гомогенизацию и старение, причем гомогенизацию проводят путем ступенчатого нагрева до температуры (Тпр.-15°С)≤Тгом.≤(Тпр.+10°С), где Тпр. - температура полного растворения γ'-фазы в сплаве, выдержки при данной температуре и охлаждения со скоростью 50-100 град./мин.The specified technical result is achieved by the fact that in the method of processing castings of heat-resistant nickel alloy for single crystal casting containing nickel, chromium, cobalt, tungsten, aluminum, tantalum, rhenium, yttrium, lanthanum and cerium under the conditions of 15.1≤ (W + Ta + Re) ≤31.0 wt.%, The casting is subjected to heat treatment, homogenization and aging are used as the heat treatment, moreover, homogenization is carried out by stepwise heating to a temperature of (Tp. -15 ° C) ≤ Tgom. ≤ (Tp. + 10 ° C), where Tpr. - the temperature of complete dissolution of the γ'-phase in the alloy, exposure at a given temperature and cooling at a speed of 50-100 deg./min

Перед термической обработкой могут осуществлять высокотемпературное газостатическое прессование монокристальных отливок для удаления литейной микропористости.Before heat treatment, high-temperature gas-static pressing of single-crystal castings can be performed to remove casting microporosity.

Операцию старения проводят по меньшей мере за два этапа, отличающиеся температурами нагрева Т12. На первом этапе старения отливку нагревают до более высокой температуры Т1 в двухфазной γ-γ' области, выдержка при которой обеспечивает образование основного количества упрочняющей γ'-фазы и формирование регулярной γ/γ' структуры.The aging operation is carried out in at least two stages, characterized by heating temperatures T 1 > T 2 . At the first stage of aging, the casting is heated to a higher temperature T 1 in the two-phase γ-γ 'region, exposure at which ensures the formation of the main amount of the strengthening γ'-phase and the formation of a regular γ / γ' structure.

Второй этап старения проводят при более низкой температуре T21 в двухфазной γ-γ' области, что обеспечивает выделение из твердого раствора дополнительного количества упрочняющей γ'-фазы в сплаве.The second stage of aging is carried out at a lower temperature T 2 <T 1 in the two-phase γ-γ 'region, which ensures the release from the solid solution of an additional amount of the strengthening γ'-phase in the alloy.

Обрабатывают отливку, для которой выполняется условие (Cr+Co+W+Al+Ta)≤37,8 мас.%.A casting is processed for which the condition (Cr + Co + W + Al + Ta) ≤37.8 wt.% Is fulfilled.

Заявляемый способ основывается на следующих предпосылках.The inventive method is based on the following premises.

Успехи в разработке высокожаропрочных никелевых сплавов (ЖС) последних поколений в значительной мере связаны с легированием сплавов большим количеством рения (например, 9.3 мас.% Re в сплаве ЖС 47) и элемента платиновой группы рутения (например, 6 мас.% Ru в сплаве TMS-162) (Е.Н.Каблов, Н.В.Петрушин, И.Л.Светлов. Современные литые никелевые жаропрочные сплавы. В сб. трудов Международной научно-технической конференции. М.: ВИАМ, 2006, с.43). Поскольку Re и особенно Ru - очень дорогие и дефицитные металлы, возникают вопросы о том, является ли указанное направление легирования оптимальным и полностью ли исчерпаны возможности улучшения ЖС путем легирования традиционными легирующими элементами.The successes in the development of high-temperature nickel alloys (ZhS) of recent generations are largely associated with alloying alloys with a large amount of rhenium (for example, 9.3 wt.% Re in ZhS 47 alloy) and an element of the platinum group of ruthenium (for example, 6 wt.% Ru in TMS alloy -162) (E.N. Kablov, N.V. Petrushin, I.L. Svetlov. Modern cast nickel heat-resistant alloys. In collection of proceedings of the International scientific and technical conference. M: VIAM, 2006, p. 43). Since Re, and especially Ru, are very expensive and scarce metals, questions arise as to whether the indicated direction of doping is optimal and whether the possibilities for improving the liquid content by doping with traditional alloying elements are completely exhausted.

Авторами проведены теоретические и экспериментальные исследования возможности оптимизации традиционной системы легирования жаропрочных никелевых сплавов, предназначенных для монокристального литья, например, лопаток газотурбинных двигателей, с помощью анализа влияния легирующих элементов на когезивную прочность никелевых сплавов.The authors conducted theoretical and experimental studies on the possibility of optimizing the traditional alloying system for heat-resistant nickel alloys intended for single-crystal casting, for example, gas turbine engine blades, by analyzing the effect of alloying elements on the cohesive strength of nickel alloys.

В качестве фундаментального параметра, определяющего характеристики жаропрочности конструкционных материалов, была выбрана энергия когезии сплавов:The cohesion energy of alloys was chosen as a fundamental parameter determining the characteristics of the heat resistance of structural materials:

Figure 00000001
Figure 00000001

где Eatom - энергия свободного атомаwhere E atom is the energy of a free atom

Ecryst - энергия вещества в кристаллическом состоянии.E cryst - energy of a substance in a crystalline state.

Определенная таким образом энергия когезии представляет собой работу, необходимую для того, чтобы разрушить твердое тело до атомарного состояния. В качестве Ecryst использовали энергию основного состояния кристаллического вещества (сплава, металла). Для нахождения этой энергии был использован метод точных маффин-тин орбиталей (ТМТО). Данный метод в основном предназначен для расчета сплавов, поэтому энергии свободных атомов для чистых металлов рассчитывались как:The cohesion energy so defined is the work needed to destroy a solid to an atomic state. The energy E of the ground state of a crystalline substance (alloy, metal) was used as Eryst . To find this energy, the exact muffin-ting orbitals (TMTO) method was used. This method is mainly intended for the calculation of alloys, so the energy of free atoms for pure metals was calculated as:

Figure 00000002
Figure 00000002

где Ecoh бралась из экспериментальных данных (Kittel С. Introduction to Solid State Physics, 7th ed. -Wiley, NewYork, 1996), a Ecryst рассчитывалась с помощью метода ТМТО.where E coh was taken from experimental data (Kittel C. Introduction to Solid State Physics, 7th ed. -Wiley, New York, 1996), and E cryst was calculated using the TMTO method.

В обобщенную систему легирования никелевых ЖС были включены следующие легирующие элементы:The following alloying elements were included in the generalized alloying system for nickel ZhS:

Со, Cr, V, Ti, Al, Ru, Mo, Nb, Zr, Hf, Та, W, Re, Os, Ir.Co, Cr, V, Ti, Al, Ru, Mo, Nb, Zr, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir.

На фиг.1 представлена зависимость рассчитанных значений энергии когезии никелевых сплавов от содержания легирующих элементов - Al, Со, Cr, Hf, Ir, Mo, Nb, Os, Pt, Re, Ru, Sc, Та, Ti, V, W, Zr. Из фиг.1 следует, что для большинства элементов зависимости Ecoh от концентрации являются линейными:Figure 1 shows the dependence of the calculated values of the cohesion energy of nickel alloys on the content of alloying elements - Al, Co, Cr, Hf, Ir, Mo, Nb, Os, Pt, Re, Ru, Sc, Ta, Ti, V, W, Zr . From figure 1 it follows that for most elements the dependence of E coh on concentration are linear:

Figure 00000003
Figure 00000003

В качестве параметра, характеризующего эффективность влияния легирующих элементов на энергию когезии, естественно использовать χ=Ecoh/∂c. Положительные значения параметра χ свидетельствуют об увеличении энергии когезии при легировании данным элементом, отрицательные говорят о противоположном эффекте. Чем больше положительное значение параметра χ, тем сильнее данный элемент повышает когезивную прочность никелевых сплавов.It is natural to use χ = E coh / ∂c as a parameter characterizing the effectiveness of the influence of alloying elements on the cohesion energy. Positive values of the χ parameter indicate an increase in the cohesion energy upon doping with this element, negative ones indicate the opposite effect. The larger the positive value of the χ parameter, the stronger this element increases the cohesive strength of nickel alloys.

Распределение легирующих элементов по значениям параметра χ в никелевых сплавах показано на фиг.2.The distribution of alloying elements according to the parameter χ in nickel alloys is shown in Fig.2.

Данные, приведенные на фиг.1, 2, позволяют выделить базовую группу элементов, которую следует использовать в первую очередь для легирования системы Ni-Al. К ним относятся легирующие элементы, которым соответствуют наибольшие положительные значения параметра χ. В первую пятерку базовых элементов входят W, Та и Re.The data shown in figures 1, 2, allow you to select the basic group of elements, which should be used primarily for alloying the Ni-Al system. These include alloying elements, which correspond to the largest positive values of the parameter χ. The first five basic elements include W, Ta and Re.

Результаты, представленные на диаграмме, показывают, что первым элементом, способствующим наибольшему повышению энергии когезии никеля, следует считать вольфрам. Поэтому базовая система легирования никелевых ЖС в первую очередь должна содержать вольфрам, причем количество W целесообразно держать на высоком уровне, ограниченном сверху только пределом растворимости вольфрама в никелевом сплаве.The results presented in the diagram show that tungsten should be considered the first element contributing to the greatest increase in nickel cohesion energy. Therefore, the basic alloying system for nickel alloys must first contain tungsten, and the amount of W should be kept at a high level, limited from above only by the solubility limit of tungsten in the nickel alloy.

Следующим кандидатом для легирования никелевых ЖС является тантал, который целесообразно вводить в ЖС на фоне высокого содержания вольфрама, контролируя возможность выделения в никелевом сплаве фаз на основе (W, Ta).The next candidate for doping nickel alloys is tantalum, which is expediently introduced into the alloys against the background of a high tungsten content, controlling the possibility of precipitation of phases based on (W, Ta) in the nickel alloy.

Вслед за танталом идет рений, энергия когезии которого также почти в два раза больше таковой для чистого никеля.Following tantalum is rhenium, the cohesion energy of which is also almost two times greater than that for pure nickel.

Таким образом, по влиянию на энергию когезии целесообразно соблюдать следующую количественную иерархию базовых легирующих элементов: мас.% W>мас.% Та>мас.% Re.Thus, according to the effect on cohesion energy, it is advisable to observe the following quantitative hierarchy of basic alloying elements: wt.% W> wt.% Ta> wt.% Re.

Определимся с содержанием в сплаве базовых легирующих элементов W, Та и Re.We will determine the content of the base alloying elements W, Ta, and Re in the alloy.

Оценку суммарного количества базовых элементов в ЖС указанного типа с заявляемой обработкой начнем с W. Будем исходить из того, что максимальное количество W, вводимого в известные ЖС с многокомпонентной системой легирования (без выделения из твердого раствора в виде самостоятельной фазы с ОЦК решеткой на основе W), составляет 16-20 мас.% [Кишкин С.Т., Строганов Г.Б., Логунов А.В. Литейные жаропрочные сплавы на никелевой основе. М., Машиностроение, 1987. - 116 с], минимальное содержание W в сплаве установим на уровне W≥(10-12) мас.%, поскольку ниже этого значения не обеспечивается заявляемое повышение жаропрочности.We will start estimating the total number of basic elements in the ZhS of the indicated type with the claimed processing with W. We will proceed from the fact that the maximum amount of W introduced into the known ZhS with a multicomponent alloying system (without isolation from the solid solution as an independent phase with a bcc lattice based on W ), is 16-20 wt.% [Kishkin S.T., Stroganov GB, Logunov A.V. Nickel-based heat-resistant foundry alloys. M., Engineering, 1987. - 116 s], the minimum content of W in the alloy is set at W≥ (10-12) wt.%, Since below this value is not provided the claimed increase in heat resistance.

Содержание тантала может варьироваться в широких пределах, учитывая, что с увеличением тантала возрастает когезивная прочность сплава и, следовательно, жаропрочность.The tantalum content can vary widely, given that with an increase in tantalum, the cohesive strength of the alloy increases and, therefore, heat resistance.

Что касается содержания рения, то, с одной стороны, его энергия когезии довольно высокая, а с другой стороны - это дорогой и дефицитный металл.As for the rhenium content, on the one hand, its cohesion energy is quite high, and on the other hand it is an expensive and scarce metal.

Авторами установлено, что для достижения заявляемого нами технического результата при заявляемом способе обработки монокристальных отливок из никелевого жаропрочного сплава суммарное количество вольфрама, рения и тантала определяется для каждого случая отдельно, однако, как правило, минимальное их значение должно быть не меньше 15,0 мас.%, так как в противном случае не будет обеспечено планируемое повышение жаропропрочности. Максимальное значение суммарного количества вольфрама, рения и тантала для никелевых ЖС, обрабатываемых заявляемым способом, не должно превышать 31,0 мас.% и ограничено сверху пределом растворимости суммарного количества вольфрама, тантала и рения в никелевом ЖС.The authors found that in order to achieve the claimed technical result with the claimed method for processing monocrystal castings from nickel heat-resistant alloy, the total amount of tungsten, rhenium and tantalum is determined separately for each case, however, as a rule, their minimum value should be no less than 15.0 wt. %, since otherwise the planned increase in heat resistance will not be provided. The maximum value of the total amount of tungsten, rhenium and tantalum for nickel ZhS processed by the claimed method should not exceed 31.0 wt.% And is limited from above by the solubility limit of the total amount of tungsten, tantalum and rhenium in nickel ZhS.

За оптимальное принимается такое содержание рения, которое в сочетании с выбранным количеством тантала и вольфрама при выполнении заявляемого условия суммарного содержания этих элементов обеспечит длительную прочность при температуре 1000°С в течение 100 часов не менее 300 МПа.The optimum content is such a rhenium content, which in combination with the selected amount of tantalum and tungsten, when the claimed conditions for the total content of these elements are met, will provide long-term strength at a temperature of 1000 ° C for 100 hours at least 300 MPa.

Для достижения оптимальных параметров ЖС, т.е. для формирования оптимальных параметров сложной гетерофазной структуры сплава, должна быть предусмотрена возможность введения в сплав других указанных в формуле элементов, например молибдена, ниобия, титана и т.д.To achieve the optimal parameters of the FS, i.e. for the formation of optimal parameters of the complex heterophase structure of the alloy, it should be possible to introduce other elements specified in the formula into the alloy, for example, molybdenum, niobium, titanium, etc.

Суммарное содержание трех основных компонентов никелевого ЖС является существенным, но не единственным условием, необходимым для достижения заявляемого технического результата. Другим условием является выполнение заявляемых условий обработки сплавов, например монокристальных отливок из никелевых ЖС, так как выбор условий термообработки является существенным для повышения жаропрочности сплава.The total content of the three main components of the Nickel ZhS is essential, but not the only condition necessary to achieve the claimed technical result. Another condition is the fulfillment of the claimed conditions for processing alloys, for example, single-crystal castings from nickel alloys, since the choice of heat treatment conditions is essential to increase the heat resistance of the alloy.

Шихтовые заготовки никелевого жаропрочного сплава (например, КС-2 или КС-3), содержащего никель, хром, кобальт, вольфрам, алюминий, тантал, рений, иттрий, лантан и церий при выполнении условий 15,0≤(W+Ta+Re)≤31,0 мас.%, отливали вакуумно-индукционным методом; из шихтовых заготовок затем получали монокристаллические отливки методом направленной кристаллизации. Для формирования оптимальной γ-γ' микроструктуры монокристаллические отливки опытных сплавов подвергали термической обработке, заключавшейся в гомогенизации и двухступенчатом старении. Температуру гомогенизации выбирали из условия (Тпр.-15°С)≤Тгом.≤(Тпр.+10°С), где Тпр. - температура полного растворения γ'-фазы в сплаве. В случае если температура гомогенизации меньше (Тпр.-15°С), то в условиях недогрева происходит сильное огрубление не растворившейся γ'-фазы. Эффект огрубления не устраняется при последующем старении и приводит к снижению уровня жаропрочности. Если температура гомогенизации выше (Тпр.+10°С), то возрастает вероятность неконтролируемых процессов локального оплавления, которые отрицательно влияют на жаропрочность.Charge billets of a heat-resistant nickel alloy (for example, KS-2 or KS-3) containing nickel, chromium, cobalt, tungsten, aluminum, tantalum, rhenium, yttrium, lanthanum and cerium under the conditions of 15.0≤ (W + Ta + Re ) ≤31.0 wt.%, Cast using the vacuum induction method; single-crystal castings were then obtained from charge billets by directional crystallization. To form an optimal γ-γ 'microstructure, single-crystal castings of experimental alloys were subjected to heat treatment, which consisted of homogenization and two-stage aging. The homogenization temperature was chosen from the condition (Tp. -15 ° C) ≤Tgom. ≤ (Tpr. + 10 ° C), where Tpr. is the temperature of complete dissolution of the γ'-phase in the alloy. If the homogenization temperature is lower (Tp. -15 ° C), then under conditions of underheating, a strong coarsening of the undissolved γ'-phase occurs. The effect of coarsening is not eliminated during subsequent aging and leads to a decrease in the level of heat resistance. If the homogenization temperature is higher (Tp. + 10 ° С), then the likelihood of uncontrolled processes of local fusion increases, which negatively affect the heat resistance.

Время выдержки и параметры старения отливки зависят от ее размера, характера микроструктуры и выбираются на основании металлографического изучения микроструктуры контрольных образцов.The exposure time and aging parameters of the casting depend on its size, the nature of the microstructure and are selected on the basis of a metallographic study of the microstructure of the control samples.

Охлаждение со скоростью от 50 до 100 град/мин обусловлено тем, что при такой регламентации скорости охлаждения, с одной стороны, удается зафиксировать при комнатной температуре микроструктуру сплава, сформировавшуюся при термической обработке (для этого необходимо быстрое охлаждение - закалка), а с другой стороны - минимизировать негативные эффекты быстрого охлаждения (например, образование микротрещин).Cooling at a speed of 50 to 100 deg / min is due to the fact that with this regulation of the cooling rate, on the one hand, it is possible to fix the microstructure of the alloy formed at the heat treatment at room temperature (this requires rapid cooling - quenching), and on the other hand - minimize the negative effects of rapid cooling (for example, the formation of microcracks).

Для удаления литейной пористости монокристаллических отливок их могут подвергать высокотемпературной газостатической обработке (ГИП) по специально разработанным режимам, обеспечивающим уплотнение материала отливки без локальной рекристаллизации в объеме образцов (А.В.Логунов и др. Высокотемпературное газостатическое уплотнение монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов. Технология легких сплавов, №1-4, 2005 г., с.71-77), с последующей термообработкой при заявленных условиях.To remove the casting porosity of single-crystal castings, they can be subjected to high-temperature gas-static treatment (HIP) according to specially developed modes that provide compaction of the casting material without local recrystallization in the volume of samples (A.V. Logunov and others. High-temperature gas-static compaction of single crystals of heat-resistant nickel alloys. Light alloy technology. , No. 1-4, 2005, p. 71-77), followed by heat treatment under the stated conditions.

Примеры конкретного выполнения.Examples of specific performance.

Пример 1.Example 1

Литые монокристаллические (ось роста [100]) заготовки из сплава КС-2 (12W, 8Та, 2Re, 5,6Al, 2,5Cr, 2Со, ост. Ni (мас.%) (суммарное содержание W+Ta+Re=22 мас.%) для удаления литейной пористости подвергали высокотемпературному газостатическому прессованию по режиму: ступенчатый нагрев до температуры 1250°С, давление Р=150 МПа, выдержка 2,5 часа, охлаждение в газостате.Single-crystal cast (growth axis [100]) billets made of KS-2 alloy (12W, 8Ta, 2Re, 5.6Al, 2.5Cr, 2Co, remaining Ni (wt.%) (Total content W + Ta + Re = 22 wt.%) to remove casting porosity, they were subjected to high-temperature gas-static pressing according to the regime: stepwise heating to a temperature of 1250 ° С, pressure Р = 150 MPa, holding for 2.5 hours, cooling in a gas bath.

После этого заготовки подвергали термической обработке по режиму:After that, the workpiece was subjected to heat treatment according to the regime:

- гомогенизация, которую проводили путем ступенчатого нагрева до температуры 1365°С, выдержки в течение 3 часов с последующим охлаждением со скоростью 60 °С/мин;- homogenization, which was carried out by stepwise heating to a temperature of 1365 ° C, holding for 3 hours, followed by cooling at a speed of 60 ° C / min;

- старение при температуре 1055°С в течение 5,5 часов, охлаждение на воздухе;- aging at a temperature of 1055 ° C for 5.5 hours, cooling in air;

- старение при температуре 875°С в течение 9 часов, охлаждение на воздухе.- aging at a temperature of 875 ° C for 9 hours, cooling in air.

В таблице 1 приведены значения ключевых параметров для сплава КС-2, химический состав которого близок к базовой системе легирования (Ni-Al)-W, Та, Re.Table 1 shows the key parameters for the KS-2 alloy, whose chemical composition is close to the basic alloying system (Ni-Al) -W, Ta, Re.

Figure 00000004
Figure 00000004

Из таблицы 1 следует, что предложенный сплав КС-2 имеет лучшие расчетные характеристики жаропрочности по сравнению со сплавом-аналогом. Небольшое отрицательное значение параметра δ в сплаве КС-2 можно изменить на аналогичную положительную величину путем легирования сплава КС-2 небольшим количеством дополнительных элементов в соответствии с формулой настоящего изобретения.From table 1 it follows that the proposed alloy KS-2 has the best design characteristics of heat resistance compared to the alloy-analogue. A small negative value of the parameter δ in the KS-2 alloy can be changed to a similar positive value by alloying the KS-2 alloy with a small amount of additional elements in accordance with the formula of the present invention.

Пример 2.Example 2

Литые монокристаллические (ось роста [100]) заготовки из сплава КС-3, номинальный химический состав которого 10W, 8Та, 6Re, 5,5Al, 1,5Cr, 2Со, ост. Ni (мас.%), суммарное количество (W+Ta+Re)=24 мас.%, близок к оптимальной базовой системе легирования (Ni-Al)-W, Та, Re.Single-crystal cast (growth axis [100]) billets made of KS-3 alloy, the nominal chemical composition of which is 10W, 8Ta, 6Re, 5.5Al, 1.5Cr, 2Co, ost. Ni (wt.%), The total amount (W + Ta + Re) = 24 wt.%, Is close to the optimal base alloying system (Ni-Al) -W, Ta, Re.

Заготовки подвергали термической обработке по режиму:The blanks were subjected to heat treatment according to the regime:

- гомогенизация, которую проводили путем ступенчатого нагрева до температуры 1360°С, выдержки в течение 3 часов с последующим охлаждением со скоростью 70 °С/мин;- homogenization, which was carried out by stepwise heating to a temperature of 1360 ° C, holding for 3 hours, followed by cooling at a speed of 70 ° C / min;

- старение при температуре 1045°С в течение 6 часов, охлаждение на воздухе;- aging at a temperature of 1045 ° C for 6 hours, cooling in air;

- старение при температуре 865°С в течение 11 часов, охлаждение на воздухе.- aging at a temperature of 865 ° C for 11 hours, cooling in air.

В таблице 2 приведены значения ключевых параметров для сплава КС-3, включая экспериментальные значения Тγ, solvus и жаропрочности σ1001000.Table 2 shows the values of the key parameters for the KS-3 alloy, including the experimental values of T γ , solvus and heat resistance σ 100 1000 .

Figure 00000005
Figure 00000005

Из таблицы 2 следует, что предложенный сплав КС-3 имеет лучшие характеристики жаропрочности по сравнению со сплавом-аналогом. Небольшое отрицательное значение параметра δ в сплаве КС-3 можно изменить на аналогичную положительную величину путем легирования сплава КС-3 небольшим количеством дополнительных элементов в соответствии с формулой настоящего изобретения.From table 2 it follows that the proposed alloy KS-3 has the best characteristics of heat resistance in comparison with the alloy-analogue. A small negative value of the parameter δ in the KS-3 alloy can be changed to a similar positive value by alloying the KS-3 alloy with a small amount of additional elements in accordance with the formula of the present invention.

Claims (5)

1. Способ обработки отливок из жаропрочного никелевого сплава для монокристального литья, содержащего никель, хром, кобальт, вольфрам, алюминий, тантал, рений, иттрий, лантан и церий при выполнении условий, мас.% W > мас.% Та > мас.% Re и 15,1≤(W+Ta+Re)≤31,0 мас.%, заключающийся в том, что отливку подвергают термической обработке, в качестве термической обработки используют гомогенизацию и старение, причем гомогенизацию приводят путем нагрева до температуры (Тпр-15°С)≤Тгом≤(Тпр+10°С), где Тпр - температура полного растворения γ'-фазы в сплаве, выдержки при данной температуре и охлаждения со скоростью 50-100 °С/мин.1. The method of processing castings of heat-resistant nickel alloy for single crystal casting containing nickel, chromium, cobalt, tungsten, aluminum, tantalum, rhenium, yttrium, lanthanum and cerium under the conditions, wt.% W> wt.% Ta> wt.% Re and 15.1≤ (W + Ta + Re) ≤31.0 wt.%, Consisting in the fact that the casting is subjected to heat treatment, homogenization and aging are used as the heat treatment, and homogenization is carried out by heating to a temperature (T 15 ° С) ≤Тгом≤ (Тпр + 10 ° С), where Тпр is the temperature of complete dissolution of the γ'-phase in the alloy, holding at constant temperature and cooling at a speed of 50-100 ° C / min. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед термической обработкой осуществляют газостатическое прессование отливки.2. The method according to claim 1, characterized in that before the heat treatment gas-static pressing of the casting is carried out. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев осуществляют ступенчато.3. The method according to claim 1, characterized in that the heating is carried out stepwise. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что старение проводят ступенчато, по меньшей мере, за два этапа.4. The method according to claim 1, characterized in that the aging is carried out stepwise, at least in two stages. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что обрабатывают отливку, для которой выполняется условие (Cr+Co+W+Al+Ta)≤37,8 мас.%. 5. The method according to claim 1, characterized in that the casting is processed for which the condition (Cr + Co + W + Al + Ta) ≤37.8 wt.% Is fulfilled.
RU2007137803/02A 2007-10-15 2007-10-15 Processing method of casts made of heat-resistant nickel alloys for single-crystal foundaring RU2361011C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007137803/02A RU2361011C1 (en) 2007-10-15 2007-10-15 Processing method of casts made of heat-resistant nickel alloys for single-crystal foundaring

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007137803/02A RU2361011C1 (en) 2007-10-15 2007-10-15 Processing method of casts made of heat-resistant nickel alloys for single-crystal foundaring

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2007137803A RU2007137803A (en) 2009-04-20
RU2361011C1 true RU2361011C1 (en) 2009-07-10

Family

ID=41017406

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2007137803/02A RU2361011C1 (en) 2007-10-15 2007-10-15 Processing method of casts made of heat-resistant nickel alloys for single-crystal foundaring

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2361011C1 (en)

Also Published As

Publication number Publication date
RU2007137803A (en) 2009-04-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2698038C9 (en) Method for manufacturing nickel-based alloy member
JP5278936B2 (en) Heat resistant superalloy
JP5696995B2 (en) Heat resistant superalloy
Xu et al. Progress in application of rare metals in superalloys
CN107557615B (en) Methods of making superalloy articles and related articles
RU2712323C1 (en) BLANK OF FORGING ALLOY BASED ON Ni AND HIGH-TEMPERATURE ELEMENT OF TURBINE DESIGN USING THIS WORKPIECE
JP2017075403A (en) Nickel-based heat-resistant superalloy
CN111051548B (en) Precipitation hardenable cobalt-nickel based superalloys and articles made therefrom
JP2004518811A (en) Nickel-based superalloy and turbine component manufactured from the superalloy
US20060207693A1 (en) Modified advanced high strength single crystal superalloy composition
JP3902714B2 (en) Nickel-based single crystal superalloy with high γ &#39;solvus
JP2009097094A (en) Nickel-base superalloy
US8435362B2 (en) Process for producing a single-crystal component made of a nickel-based superalloy
JP2017532440A (en) Reinforced superalloy with zirconium addition
JP2011074493A (en) Nickel-based superalloy and article
JP6826235B2 (en) Ni-based alloy softened powder and method for producing the softened powder
JP2011074492A (en) Nickel-based superalloy and article
WO2015159166A1 (en) Gamma - gamma prime strengthened tungsten free cobalt-based superalloy
JP2018024938A (en) Methods for preparing superalloy articles and related articles
JP2009149976A (en) Ternary nickel eutectic alloy
KR101785333B1 (en) Ni base superalloy and Method of manufacturing thereof
WO2011138952A1 (en) Heat-resistant nickel-based superalloy containing annealing twins and heat-resistant superalloy member
US11098395B2 (en) Nickel-based superalloy with microstructure including rafting-resistant gamma prime phase and article prepared therefrom
JP5393829B2 (en) Single crystal nickel-base superalloy with improved creep properties
RU2361011C1 (en) Processing method of casts made of heat-resistant nickel alloys for single-crystal foundaring

Legal Events

Date Code Title Description
PD4A Correction of name of patent owner
PC43 Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions

Effective date: 20170116

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20191016