RU2446221C1 - Cast nickel heat-resistant alloy - Google Patents
Cast nickel heat-resistant alloy Download PDFInfo
- Publication number
- RU2446221C1 RU2446221C1 RU2010152295/02A RU2010152295A RU2446221C1 RU 2446221 C1 RU2446221 C1 RU 2446221C1 RU 2010152295/02 A RU2010152295/02 A RU 2010152295/02A RU 2010152295 A RU2010152295 A RU 2010152295A RU 2446221 C1 RU2446221 C1 RU 2446221C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- alloy
- rhenium
- tungsten
- tantalum
- cobalt
- Prior art date
Links
Landscapes
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к металлургии, а именно к производству литейных никелевых жаропрочных сплавов, предназначенных для получения деталей, в том числе рабочих и сопловых лопаток газовых турбин с направленной столбчатой и монокристальной структурой, отливаемых методом направленной кристаллизации, работающих в условиях длительного комплексного воздействия высоких статических, циклических и термических нагрузок при температуре материала 1100°С и более.The invention relates to metallurgy, in particular to the production of casting nickel refractory alloys designed to produce parts, including working and nozzle blades of gas turbines with directional columnar and single crystal structures, cast by directional crystallization, operating under long-term complex effects of high static, cyclic and thermal loads at a material temperature of 1100 ° C or more.
Известен жаропрочный сплав на никелевой основе, предназначенный для литья деталей с монокристальной структурой. Сплав содержит следующие компоненты (мас.%): кобальт 0.0-15.0; хром 4.1-8.0; молибден 2.1-6.1; вольфрам 0.0-3.9; тантал 4.0-10.0; алюминий 4.5-6.5; титан 0.0-1.0; гафний 0.0-0.5; ниобий 0.0-3.0; рений 3.0-8.0; рутений 0.5-6.5; бор 0.0-0.05; углерод 0.0-0.15; кремний 0.0-0.1; иттрий 0.0-0.1; лантан 0.0-0.1; церий 0.0-0.1; ванадий 0.0-1.0; цирконий 0.0-0.1; никель остальное. При этом должно соблюдаться условие: P1≤700, где P1=137 (мас.% W)+24 (мас.% Cr)+46 (мас.% Mo) - 18 (мас.% Re) (патент ЕР 2128284 А1, С22С 19/05, опубл. 02.12.2009).A heat-resistant nickel-based alloy is known for casting parts with a single crystal structure. The alloy contains the following components (wt.%): Cobalt 0.0-15.0; chrome 4.1-8.0; molybdenum 2.1-6.1; tungsten 0.0-3.9; tantalum 4.0-10.0; aluminum 4.5-6.5; titanium 0.0-1.0; hafnium 0.0-0.5; niobium 0.0-3.0; rhenium 3.0-8.0; ruthenium 0.5-6.5; boron 0.0-0.05; carbon 0.0-0.15; silicon 0.0-0.1; yttrium 0.0-0.1; lanthanum 0.0-0.1; cerium 0.0-0.1; vanadium 0.0-1.0; zirconium 0.0-0.1; nickel rest. In this case, the condition must be met: P 1 ≤700, where P 1 = 137 (wt.% W) +24 (wt.% Cr) +46 (wt.% Mo) - 18 (wt.% Re) (patent EP 2128284 A1, C22C 19/05, publ. 02.12.2009).
Указанный сплав обладает высоким уровнем жаропрочности (
Известен также никелевый жаропрочный сплав для получения лопаток газовых турбин, имеющих монокристальную структуру, и содержащий (мас.%): хром 2.1-3.3; кобальт 5.0-7.0; молибден 3.5-5.1; 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 0.0005-0.001; никель остальное (патент РФ №2293782, С 22 С 19/05, опубл. 20.02.2007).Also known is a heat-resistant nickel alloy for producing gas turbine blades having a single crystal structure and containing (wt.%): Chromium 2.1-3.3; cobalt 5.0-7.0; molybdenum 3.5-5.1; tungsten 3.2-4.8; tantalum 4.0-5.0; rhenium 5.6-7.0; ruthenium 2.0-6.0; aluminum 5.7-6.3; carbon 0.002-0.02; boron 0.0004-0.004; yttrium 0.002-0.02; cerium 0.001-0.02; lanthanum 0.002-0.25; neodymium 0.0005-0.001; Nickel the rest (RF patent No. 2293782, C 22 C 19/05, publ. 02.20.2007).
Сплав обладает фазовой стабильностью, однако он также отличается весьма высокой стоимостью, поскольку содержит дорогостоящие элементы рений и рутений, а обеспечиваемый им уровень жаропрочности (
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является литейный никелевый жаропрочный сплав, предназначенный для литья деталей с монокристальной структурой, содержащий (мас.%): хром 0.0-3.0; кобальт 0.0-5.0; вольфрам 8.0-12.0; алюминий 4.3-5.6; тантал 9.0-13.0; рений 4.0-6.0; углерод 0.002-0.05; иттрий 0.003-0.1; лантан 0.001-0.2; церий 0.003-0.1; неодим 0.0-0.01; скандий 0.05-01; кремний 0.05-1.0; магний 0.01-0.15; никель остальное (патент РФ №2383642, C22С 19/05, опубл. 10.03.2010).The closest analogue taken as a prototype is a casting nickel heat-resistant alloy designed for casting parts with a single crystal structure, containing (wt.%): Chromium 0.0-3.0; cobalt 0.0-5.0; tungsten 8.0-12.0; aluminum 4.3-5.6; tantalum 9.0-13.0; rhenium 4.0-6.0; carbon 0.002-0.05; yttrium 0.003-0.1; lanthanum 0.001-0.2; cerium 0.003-0.1; neodymium 0.0-0.01; scandium 0.05-01; silicon 0.05-1.0; magnesium 0.01-0.15; Nickel the rest (RF patent No. 2383642, C22C 19/05, publ. 10.03.2010).
Сплав имеет достаточно высокий уровень жаропрочности (
Однако для перспективных газотурбинных двигателей нового поколения необходимым является совершенствование состава сплава с целью получения более высокого уровня жаропрочности.However, for promising new generation gas turbine engines, it is necessary to improve the alloy composition in order to obtain a higher level of heat resistance.
Задачей изобретения является обеспечение повышенного уровня жаропрочности сплава при сохранении относительно низкой его стоимости.The objective of the invention is to provide a high level of heat resistance of the alloy while maintaining a relatively low cost.
Указанная задача решается тем, что в известный литейный никелевый жаропрочный литейный сплав, содержащий хром, кобальт, вольфрам, алюминий, тантал, рений, углерод, иттрий, лантан, церий, неодим, скандий, кремний и магний, дополнительно вводят ванадий, кальций и празеодим при следующем соотношении компонентов (мас.%): хром 4.0-7.0; алюминий 4.0-6.0; кобальт 3.0-7.0; вольфрам 9.0-13.0; рений 3.0-5.5; углерод 0,04, или 0,05, или 0,06; тантал 10.0-12.0; лантан 0.001-0.1; иттрий 0.001-0.1; церий 0.001-0.1; неодим 0,006, или 0,008, или 0,8; магний 0.01-0.15; скандий 0.05-0.1; кремний 0.05-0.5; ванадий 0.05-0.3; кальций 0.001-0.015; празеодим 0.0008-0.008; никель остальное, при этом суммарное содержание вольфрама, рения и тантала должно находиться в пределах (мас.%) 25.3≤(W+Re+Ta)≤27.0, а суммарная концентрация хрома и кобальта ограничена значениями (мас.%) 8.7≤(Cr+Co)≤10.1.This problem is solved by the fact that vanadium, calcium and praseodymium are additionally introduced into the well-known casting nickel heat-resistant casting alloy containing chromium, cobalt, tungsten, aluminum, tantalum, rhenium, carbon, yttrium, lanthanum, cerium, neodymium, scandium, silicon and magnesium. in the following ratio of components (wt.%): chromium 4.0-7.0; aluminum 4.0-6.0; cobalt 3.0-7.0; tungsten 9.0-13.0; rhenium 3.0-5.5; carbon 0.04 or 0.05 or 0.06; tantalum 10.0-12.0; lanthanum 0.001-0.1; yttrium 0.001-0.1; cerium 0.001-0.1; neodymium 0.006, or 0.008, or 0.8; magnesium 0.01-0.15; scandium 0.05-0.1; silicon 0.05-0.5; vanadium 0.05-0.3; calcium 0.001-0.015; praseodymium 0.0008-0.008; nickel is the rest, while the total content of tungsten, rhenium and tantalum should be in the range (wt.%) 25.3≤ (W + Re + Ta) ≤27.0, and the total concentration of chromium and cobalt is limited to (wt.%) 8.7≤ (Cr + Co) ≤10.1.
В заявленном сплаве увеличено содержание хрома, что обеспечивает повышение жаростойкости и одновременно отсутствие условий для образования охрупчивающих ТПУ-фаз при высоком суммарном содержании вольфрама, тантала и рения, а также положительные значения разности параметров кристаллических решеток γ- и γ'-фаз, прямым образом определяющих уровень жаропрочности сплавов этого класса.In the claimed alloy, the chromium content is increased, which provides increased heat resistance and at the same time the absence of conditions for the formation of embrittle TPU phases with a high total content of tungsten, tantalum and rhenium, as well as positive values of the difference in the parameters of the crystal lattices of the γ and γ'-phases, which directly determine level of heat resistance of alloys of this class.
В составе сплава отсутствует элемент платиновой группы рутений, что заметно снижает его стоимость. Кроме того, с целью дополнительного уменьшения стоимости сплава без ухудшения его рабочих характеристик в сплаве снижено содержание рения (среднее значение концентрации этого элемента уменьшилось по сравнению с прототипом с 5 мас.% до 4.25%).The alloy does not contain an element of the platinum group of ruthenium, which significantly reduces its cost. In addition, in order to further reduce the cost of the alloy without compromising its performance in the alloy, the rhenium content was reduced (the average concentration of this element decreased in comparison with the prototype from 5 wt.% To 4.25%).
Для обеспечения высокого уровня жаропрочности общий интервал легирования сплава вольфрамом увеличен (среднее содержание его возросло с 10 до 11 вес.%).To ensure a high level of heat resistance, the total alloying interval for tungsten alloy is increased (its average content increased from 10 to 11 wt.%).
Выполненные аналитические исследования и расчеты суммарной концентрации электронных вакансий элементов, входящих в образующуюся γ-фазу, показали, что скорректированный состав сплава допускает повышенное суммарное содержание влияющих непосредственно на уровень жаропрочности элементов - вольфрама, тантала и рения - без образования охрупчивающих ТПУ-фаз, однако при этом допустимые интервалы суммарной концентрации этих элементов, а также хрома и кобальта, влияющих на механизм образования охрупчивающих фаз σ-, µ- и др., становятся существенно более узкими и должны находиться внутри определенных значений. Именно это обстоятельство явилось причиной введения в формулу изобретения следующих условий:The performed analytical studies and calculations of the total concentration of electronic vacancies of elements entering the formed γ-phase showed that the adjusted alloy composition allows an increased total content of elements directly affecting the heat resistance level - tungsten, tantalum and rhenium - without the formation of embrittle TPU phases, however, at this permissible intervals of the total concentration of these elements, as well as chromium and cobalt, affecting the formation mechanism of embrittlement phases σ-, µ- and others, become much narrower and must be within certain values. This circumstance was the reason for introducing the following conditions into the claims:
25.3≤(W+Re+Ta)≤27.0 и 8.7≤(Cr+Co)≤10.1, где концентрации указанных элементов приведены в мас.%.25.3≤ (W + Re + Ta) ≤27.0 and 8.7≤ (Cr + Co) ≤10.1, where the concentrations of these elements are given in wt.%.
Введение в состав сплава ванадия объясняется его эффективным положительным влиянием на жаропрочность. Исследования показали, что этот элемент значительно улучшает прочностные характеристики никелевых сплавов при высоких температурах в интервале легирования 0.0-1.0 мас.%. Однако он одновременно оказывает заметное отрицательное влияние на жаростойкость, которое начинает появляться при его содержании в сплаве свыше 0.4-0.5 мас.%. Учитывая положительные и отрицательные последствия присутствия ванадия в никелевых жаропрочных сплавах, указанный элемент введен в состав сплава, однако его содержание должно находиться в пределах 0.05-0.3 мас.%. В этом случае реализуется его способность улучшать жаропрочность, а отрицательное влияние на жаростойкость не наблюдается.The introduction of vanadium into the alloy is due to its effective positive effect on heat resistance. Studies have shown that this element significantly improves the strength characteristics of nickel alloys at high temperatures in the alloying range of 0.0-1.0 wt.%. However, it simultaneously has a noticeable negative effect on the heat resistance, which begins to appear when its content in the alloy exceeds 0.4-0.5 wt.%. Given the positive and negative consequences of the presence of vanadium in nickel refractory alloys, this element is included in the alloy, however, its content should be in the range 0.05-0.3 wt.%. In this case, its ability to improve heat resistance is realized, and a negative effect on heat resistance is not observed.
Совершенствование конструкции лопаток связано в первую очередь с усложнением системы охлаждения и соответственно с уменьшением толщин стенок лопаток и усложнением условий заполнения жидким металлом формы. Указанное обстоятельство выдвигает на первый план задачу обеспечения достаточной жидкотекучести сплава, которая определяет качество заполнения полости формы и соответственно качество отлитых лопаток. Ситуация осложняется тем, что в высокожаропрочные сплавы вводят повышенное количество вольфрама, который улучшает жаропрочность, но при этом снижает технологичность (в первую очередь, жидкотекучесть сплава). Поэтому в предлагаемый состав введен дополнительный кальций в количестве 0.001-0.015 мас.%. Микролегирование кальцием, являющимся эффективным раскислителем, обеспечивает снижение в 2-10 раз содержание в сплаве остаточного кислорода, что, в свою очередь, приводит к повышению его жидкотекучести и улучшению заполняемости тонких объемов лопаточных форм.Improving the design of the blades is associated primarily with the complication of the cooling system and, accordingly, with a decrease in the wall thickness of the blades and the complication of the conditions for filling the mold with liquid metal. This circumstance highlights the task of ensuring sufficient fluidity of the alloy, which determines the quality of filling the mold cavity and, accordingly, the quality of the cast blades. The situation is complicated by the fact that a high amount of tungsten is introduced into high-temperature alloys, which improves heat resistance, but at the same time reduces manufacturability (primarily, the fluidity of the alloy). Therefore, the proposed composition introduced additional calcium in the amount of 0.001-0.015 wt.%. Microalloying with calcium, which is an effective deoxidizer, provides a 2–10-fold reduction in the residual oxygen content in the alloy, which, in turn, leads to an increase in its fluidity and an improvement in the filling of thin volumes of blade forms.
Дополнительное введение в состав сплава празеодима обусловлено тем, что микролегирование этим элементом в пределах (0.0008-0.008) мас.%, имеющим, как и лантан, значительно больший атомный радиус, чем иттрий и церий, обеспечивает в комбинации с этим элементом:An additional introduction to the composition of the praseodymium alloy is due to the fact that microalloying with this element within (0.0008-0.008) wt.%, Having, like lanthanum, a significantly larger atomic radius than yttrium and cerium, provides in combination with this element:
более эффективное торможение диффузионных потоков, способствуя тем самым стабилизации структуры и замедлению процессов разупрочнения;more effective braking of diffusion flows, thereby contributing to the stabilization of the structure and the slowdown of softening processes;
за счет снижения в окисном слое диффузии атомов никеля и образования вследствие этого более плотных окислов хрома вместо рыхлых соединений закиси никеля улучшение характеристик жаростойкости.due to a decrease in the diffusion of nickel atoms in the oxide layer and the formation of denser chromium oxides as a result of this, instead of loose nickel oxide compounds, improved heat resistance characteristics.
Дополнительное микролегирование этими элементами наряду с используемыми малыми добавками скандия, кремния, магния, неодима, а также лантана, иттрия и церия оказывает заметное облагораживающее влияние на структуру и соответственно на жаропрочность и стойкость к высокотемпературной газовой коррозии.The additional microalloying of these elements along with the used small additives of scandium, silicon, magnesium, neodymium, as well as lanthanum, yttrium and cerium has a noticeable ennoblement on the structure and, accordingly, on the heat resistance and resistance to high-temperature gas corrosion.
Для апробации сплава были выплавлены три состава, содержащие компоненты, представленные в таблице 1 (мас.%).To test the alloy, three compositions were smelted containing the components shown in table 1 (wt.%).
Сплав выплавляли в вакуумной индукционной печи, а затем переплавляли в печи для направленной кристаллизации с применением затравок заданной ориентации. Свойства полученных сплавов приведены в таблице 2.The alloy was smelted in a vacuum induction furnace, and then smelted in a furnace for directional crystallization using seeds of a given orientation. The properties of the obtained alloys are shown in table 2.
Достигнутый уровень жаропрочности (
Claims (1)
при этом соблюдены следующие условия: суммарное содержание вольфрама, рения и тантала ограничено значениями, мас.%: 25.3≤(W+Re+Ta)≤27.0, a суммарное содержание хрома и кобальта ограничено значениями, мас.%: 8.7≤(Cr+Co)≤10.1. Cast nickel heat-resistant alloy containing chromium, cobalt, tungsten, aluminum, tantalum, rhenium, carbon, yttrium, lanthanum, cerium, neodymium, scandium, silicon and magnesium, characterized in that it additionally contains vanadium, calcium and praseodymium in the following ratio of components , wt.%:
the following conditions are met: the total content of tungsten, rhenium and tantalum is limited by values, wt.%: 25.3≤ (W + Re + Ta) ≤27.0, and the total content of chromium and cobalt is limited by values, wt.%: 8.7≤ (Cr + Co) ≤10.1.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010152295/02A RU2446221C1 (en) | 2010-12-21 | 2010-12-21 | Cast nickel heat-resistant alloy |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010152295/02A RU2446221C1 (en) | 2010-12-21 | 2010-12-21 | Cast nickel heat-resistant alloy |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2446221C1 true RU2446221C1 (en) | 2012-03-27 |
Family
ID=46030884
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010152295/02A RU2446221C1 (en) | 2010-12-21 | 2010-12-21 | Cast nickel heat-resistant alloy |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2446221C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2519075C1 (en) * | 2013-02-05 | 2014-06-10 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн" | Refractory nickel-based alloy for casting gas turbine hot section parts |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU1513934C (en) * | 1988-01-04 | 1995-04-10 | Всесоюзный научно-исследовательский институт авиационных материалов | Monocrystalline alloy on the base of nickel |
| EP0848071A1 (en) * | 1996-12-11 | 1998-06-17 | United Technologies Corporation | Superalloy compositions |
| RU2383642C1 (en) * | 2008-10-29 | 2010-03-10 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн" (ОАО "НПО "Сатурн") | Heat resistant cast alloy on nickel base |
-
2010
- 2010-12-21 RU RU2010152295/02A patent/RU2446221C1/en active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU1513934C (en) * | 1988-01-04 | 1995-04-10 | Всесоюзный научно-исследовательский институт авиационных материалов | Monocrystalline alloy on the base of nickel |
| EP0848071A1 (en) * | 1996-12-11 | 1998-06-17 | United Technologies Corporation | Superalloy compositions |
| RU2383642C1 (en) * | 2008-10-29 | 2010-03-10 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн" (ОАО "НПО "Сатурн") | Heat resistant cast alloy on nickel base |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2519075C1 (en) * | 2013-02-05 | 2014-06-10 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн" | Refractory nickel-based alloy for casting gas turbine hot section parts |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6393993B2 (en) | Ni-base superalloy with high temperature strength and capable of hot forging | |
| JP4036091B2 (en) | Nickel-base heat-resistant alloy and gas turbine blade | |
| RU2623940C2 (en) | Casting nickel alloy with increased heat strength and resistance to sulfide corrosion | |
| US8877122B2 (en) | Ni-based single crystal superalloy and turbine blade incorporating the same | |
| US20130206287A1 (en) | Co-based alloy | |
| JPWO2008032751A1 (en) | Ni-based single crystal superalloy | |
| CN107090555B (en) | Ni base superalloy for hot forging | |
| CN107090556B (en) | Ni base superalloy for hot forging | |
| RU2446221C1 (en) | Cast nickel heat-resistant alloy | |
| RU2439185C1 (en) | Heat-resistant cast alloy on basis of nickel | |
| ES2684780T3 (en) | Optimized nickel based super alloy | |
| RU2439184C1 (en) | Heat-resistant alloy on nickel basis for monocrystalline casting | |
| RU2447172C1 (en) | Refractory alloy | |
| RU2386714C1 (en) | Heat-resistant granular nickel-based alloy | |
| KR20120105693A (en) | Ni base single crystal superalloy with enhanced creep property | |
| ES2670877T3 (en) | Nickel-free super alloy with rhenium or reduced rhenium content | |
| RU2678353C1 (en) | Heat and corrosion resistant nickel-based alloy for casting of large-sized working and nozzle blades of gas-turbine units | |
| RU2434069C1 (en) | Cast heat resistant alloy on base of nickel | |
| US20070044869A1 (en) | Nickel-base superalloy | |
| KR20110114928A (en) | Ni base single crystal superalloy with good creep property | |
| US20100329921A1 (en) | Nickel base superalloy compositions and superalloy articles | |
| RU2353691C2 (en) | Composition of heat-resistant nickel alloy (versions) | |
| JP6769341B2 (en) | Ni-based superalloy | |
| RU2768947C1 (en) | Heat-resistant nickel alloy for casting parts with monocrystalline structure | |
| RU2576290C1 (en) | Refractory alloy on nickel base for casting of nozzle vanes with equiaxial structure of gas turbine plants |