RU2542195C1 - Refractory alloy on nickel base for casting of nozzle vanes with equiaxial structure of gas turbine plants - Google Patents
Refractory alloy on nickel base for casting of nozzle vanes with equiaxial structure of gas turbine plants Download PDFInfo
- Publication number
- RU2542195C1 RU2542195C1 RU2014106117/02A RU2014106117A RU2542195C1 RU 2542195 C1 RU2542195 C1 RU 2542195C1 RU 2014106117/02 A RU2014106117/02 A RU 2014106117/02A RU 2014106117 A RU2014106117 A RU 2014106117A RU 2542195 C1 RU2542195 C1 RU 2542195C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- titanium
- alloy
- nickel
- gas turbine
- casting
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к металлургии, в частности к литейным жаропрочным коррозионностойким сплавам на основе никеля с хромом и кобальтом, и может быть использовано для изготовления литьем сопловых лопаток с равноосной структурой горячего тракта газотурбинных установок, например, сопловых (направляющих) лопаток, работающих в агрессивных средах при температурах 700-920°C.The invention relates to metallurgy, in particular to heat-resistant casting alloys based on nickel with chromium and cobalt, and can be used for casting nozzle blades with the equiaxed structure of the hot path of gas turbine units, for example, nozzle (guide) blades operating in aggressive environments under temperatures of 700-920 ° C.
Высокие прочностные характеристики сплавов для литья сопловых лопаток достигаются за счет значительного количества (32-40 ат.%) упрочняющей γ′-фазы (Ni3Al), легированной ниобием, титаном и т.д., а также упрочнением твердого раствора (γ-фазы) кобальтом, хромом, молибденом, вольфрамом. Повышенную коррозионную стойкость обеспечивают повышенным содержанием хрома, высоким отношением содержания титана к содержанию алюминию Ti/Al≥1,0, а также введением редкоземельных элементов. Сопротивление окислению при повышенных температурах обеспечивают введением алюминия, ограничением содержания молибдена, а также введением редкоземельных элементов.High strength characteristics of alloys for casting nozzle vanes are achieved due to a significant amount (32-40 at.%) Of the hardening γ′-phase (Ni 3 Al) doped with niobium, titanium, etc., as well as hardening of the solid solution (γ- phase) cobalt, chromium, molybdenum, tungsten. Increased corrosion resistance is provided by a high chromium content, a high ratio of titanium to aluminum content Ti / Al≥1.0, as well as the introduction of rare earth elements. The oxidation resistance at elevated temperatures is provided by the introduction of aluminum, the limitation of the molybdenum content, and also the introduction of rare earth elements.
Структурная стабильность на ресурс (исключение образования охрупчивающих фаз) и ограничение образования при кристаллизации неравновесных фаз, на месте которых после их распада при термообработке будут зарождаться поры и трещины, могут быть оценены по известной методике ФАКОМП. Характеристики длительной прочности, критические точки сплава и другие его физико-механические свойства также могут быть оценены по известным методикам.Structural stability per resource (eliminating the formation of embrittleing phases) and limiting the formation of nonequilibrium phases during crystallization, in the place of which pores and cracks will arise after their decomposition during heat treatment, can be evaluated using the well-known FACOMP method. The characteristics of long-term strength, the critical points of the alloy and its other physical and mechanical properties can also be evaluated by known methods.
(H. Harada и др., Сб. Superalloys, 1988; pp.733-742; H. Harada и др., Сб. Superalloys, 2000; pp.729-736; H. Harada, Сб. Alloys Design for Nickel-base Superalloys, 1982, pp.721-735).(H. Harada et al., Collection of Superalloys, 1988; pp. 733-742; H. Harada et al., Collection of Superalloys, 2000; pp. 729-736; H. Harada, collection of Alloys Design for Nickel- base Superalloys, 1982, pp. 721-735).
Известен жаропрочный сплав с равноосной структурой на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам и/или молибден, и/или рений, алюминий, тантал, цирконий, бор, гафний, кремний, церий и/или лантан, и/или иттрий, и/или диспрозий, и никель при следующем соотношении компонентов, масс.%: углерод 0,01-0,10; хром 17-21; кобальт 2-12; вольфрам 1-4; алюминий 4,0-4,7; тантал 3-7; цирконий 0,01-0,15; бор 0,002-0,02; гафний 0,05-0,1, церий 0,01-0,2; лантан 0,01-0,2; иттрий 0,01-0,2; диспрозий 0,02-0,2; кремний 0,1; никель - остальное.Known heat-resistant alloy with an equiaxial structure based on Nickel, containing carbon, chromium, cobalt, tungsten and / or molybdenum, and / or rhenium, aluminum, tantalum, zirconium, boron, hafnium, silicon, cerium and / or lanthanum, and / or yttrium and / or dysprosium and nickel in the following ratio of components, wt.%: carbon 0.01-0.10; chrome 17-21; cobalt 2-12; tungsten 1-4; aluminum 4.0-4.7; tantalum 3-7; zirconium 0.01-0.15; boron 0.002-0.02; hafnium 0.05-0.1, cerium 0.01-0.2; lanthanum 0.01-0.2; yttrium 0.01-0.2; dysprosium 0.02-0.2; silicon 0.1; nickel - the rest.
(RU 2441088; C22C 19/05, опубл. 27.01.2012, вариант п.8 формулы).(RU 2441088; C22C 19/05, published on January 27, 2012, a variant of claim 8 of the formula).
Известный сплав используется для изготовления литых сопловых лопаток с равноосной структурой. Данный сплав содержит до ~34 ат.% упрочняющей γ′-фазы, имеет высокие характеристики жаропрочности, структурно стабилен, но обладает умеренной коррозионной стойкостью. Поэтому для этого сплава для повышения коррозионной стойкости и стойкости к окислению при высоких рабочих температурах разработаны специальные термобарьерные покрытия, которые обладают повышенной адгезией в сплаву только при минимальном содержания в нем титана и ниобия, а также ограниченном содержании молибдена. Из-за повышенного содержания в сплаве тантала (до 5,0 мас.%) и обязательного использования специальных защитных покрытий изделия из этого сплава очень дорогие и не соответствуют условию «цена-качество».Known alloy is used for the manufacture of molded nozzle blades with equiaxial structure. This alloy contains up to ~ 34 at.% Hardening γ′-phase, has high heat resistance characteristics, is structurally stable, but has moderate corrosion resistance. Therefore, to increase the corrosion resistance and oxidation resistance at high working temperatures, special thermal barrier coatings have been developed that have increased adhesion in the alloy only with a minimum content of titanium and niobium, as well as a limited molybdenum content. Due to the high content of tantalum in the alloy (up to 5.0 wt.%) And the obligatory use of special protective coatings, products from this alloy are very expensive and do not meet the “price-quality” condition.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является жаропрочный сплав на основе никеля (JN939) для изготовления литьем сопловых лопаток с равновесной структурой.The closest in technical essence and the achieved result is a heat-resistant nickel-based alloy (JN939) for casting nozzle blades with an equilibrium structure.
Известный сплав содержит углерод, хром, кобальт, вольфрам, цирконий, титан, алюминий, тантал, ниобий, бор и никель при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,13-0,16; хром 22-22,6; кобальт 18,5-19,4; вольфрам 1,9-2,2; цирконий 0,08-0,12; 1; титан 3,6-3,8; алюминий 1,8-2, тантал 1,0-1,5; ниобий 0,8-1,2; бор 0,008-0,012; никель - остальное.The known alloy contains carbon, chromium, cobalt, tungsten, zirconium, titanium, aluminum, tantalum, niobium, boron and nickel in the following ratio of components, wt.%: Carbon 0.13-0.16; chrome 22-22.6; cobalt 18.5-19.4; tungsten 1.9-2.2; zirconium 0.08-0.12; one; titanium 3.6-3.8; aluminum 1.8-2, tantalum 1.0-1.5; niobium 0.8-1.2; boron 0.008-0.012; nickel - the rest.
(Сборник. «High Temparature Alloys Gas Turbines», 1982, Proc. Conf. Lige. 4-6, Oct. pp.369-393).(Collection. "High Temparature Alloys Gas Turbines", 1982, Proc. Conf. Lige. 4-6, Oct. pp. 369-393).
Известный сплав JN939 отличается высокой коррозионной стойкостью, достаточной жаропрочностью (объем упрочняющей γ′-фазы ~35 ат.%), однако обладает пониженной структурной стабильностью на ресурс: в процессе наработки в нем выделяется до 2-3% охрупчивающей σ-фазы и игловидной η-фазы (Ni3Ti) - 3-5%, что снижает пластические характеристики и тем самым сопротивление термоусталостным воздействиям.The well-known alloy JN939 is characterized by high corrosion resistance, sufficient heat resistance (the volume of the strengthening γ′-phase is ~ 35 at.%), However, it has a reduced structural stability for the resource: up to 2-3% of the embrittling σ-phase and needle-shaped η -phase (Ni 3 Ti) - 3-5%, which reduces the plastic characteristics and thereby the resistance to thermal stress.
Как показал анализ, оба известных сплава имеют отдельные недостатки, которые не позволяют обеспечить надежную их эксплуатацию в литых сопловых лопатках на ресурс ~50 тыс. час и более.As analysis has shown, both known alloys have certain disadvantages that do not allow ensuring their reliable operation in cast nozzle blades for a resource of ~ 50 thousand hours or more.
Кроме того, известные сплавы обладают пониженной технологичностью: не позволяют проводить их аргонно-дуговую сварку при монтажных и ремонтных работах, что вынуждает использовать специальные технологии (плазменные, лазерные), что еще в большей степени удорожает изделия из этих сплавов.In addition, the well-known alloys have a lower manufacturability: they do not allow their argon-arc welding during installation and repair work, which forces the use of special technologies (plasma, laser), which further increases the cost of products from these alloys.
Целью изобретения и его техническим результатом является жаропрочный сплав для литья сопловых лопаток с равноосной структурой газотурбинных установок с повышенной длительной прочностью при рабочих температурах 700-920°C в сочетании с высоким сопротивлением окислению и коррозионным воздействиям, повышенной структурной стабильностью на ресурс и улучшенными технологическими характеристиками.The aim of the invention and its technical result is a heat-resistant alloy for casting nozzle blades with equiaxed structure of gas turbine units with increased long-term strength at operating temperatures of 700-920 ° C in combination with high oxidation resistance and corrosion, increased structural stability on the resource and improved technological characteristics.
Технический результат достигается тем, что жаропрочный сплав на основе никеля для литья сопловых лопаток с равноосной структурой газотурбинных установок включает углерод, хром, кобальт, вольфрам, титан, алюминий, ниобий, бор, кальций, магний, молибден, кремний, железо, медь, серу, фосфор, азот, кислород и никель при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,07-0,10; хром 20,5-21,6; кобальт 10,8-11,5; вольфрам 2,3-2,6; титан 3,6-3,8; алюминий 2,4-2,7; ниобий 0,5-0,8; бор 0,01-0,013, кальций 0,01-0,2; магний 0,01-0,2; молибден 1,7-2,0; кремний ≤0,1; железо ≤0,1; медь ≤0,05, сера ≤0,005; фосфор ≤0,005; азот ≤20 ppm, кислород ≤15 ppm, никель - остальное, при этом суммарное содержание алюминия и титана составляет 6,0-6,5 мас.%, а отношение содержания титана к содержанию алюминия 1,4-1,55.The technical result is achieved in that the heat-resistant nickel-based alloy for casting nozzle blades with the equiaxed structure of gas turbine plants includes carbon, chromium, cobalt, tungsten, titanium, aluminum, niobium, boron, calcium, magnesium, molybdenum, silicon, iron, copper, sulfur phosphorus, nitrogen, oxygen and nickel in the following ratio of components, wt.%: carbon 0.07-0.10; chrome 20.5-21.6; cobalt 10.8-11.5; tungsten 2.3-2.6; titanium 3.6-3.8; aluminum 2.4-2.7; niobium 0.5-0.8; boron 0.01-0.013, calcium 0.01-0.2; magnesium 0.01-0.2; molybdenum 1.7-2.0; silicon ≤0.1; iron ≤0.1; copper ≤0.05, sulfur ≤0.005; phosphorus ≤0.005; nitrogen ≤20 ppm, oxygen ≤15 ppm, nickel - the rest, while the total content of aluminum and titanium is 6.0-6.5 wt.%, and the ratio of titanium to aluminum content is 1.4-1.55.
Технический результат также достигается тем, что суммарное содержание кальция и магния составляет менее 0,3 мас.%.The technical result is also achieved by the fact that the total content of calcium and magnesium is less than 0.3 wt.%.
Сплав изготавливают в виде литой прутковой заготовки, предназначенной для последующего переплава и литья лопаток и других деталей газотурбинных установок.The alloy is made in the form of a cast bar stock designed for subsequent remelting and casting of blades and other parts of gas turbine plants.
Введение молибдена при оптимальном содержании вольфрама и оптимальном суммарном содержании кальция и магния на уровне 0,2-0,3 мас.%, которое обеспечивает очищение границ зерен от оксидных соединений, повышает пластичность сплава на длительный ресурс, дает повышенную жаропрочность литого сплава.The introduction of molybdenum at the optimum tungsten content and the optimal total content of calcium and magnesium at the level of 0.2-0.3 wt.%, Which provides the cleaning of grain boundaries from oxide compounds, increases the ductility of the alloy for a long life, gives increased heat resistance of the cast alloy.
Кроме того, дополнительное введение молибдена, в сочетании с кальцием и магнием, а также суммарным содержанием алюминия и титана 6,0-6,5 мас.% при отношении содержания титана к содержанию алюминия 1,4-1,55, обеспечивает ограниченное выделение неравновесной эвтектической фазы и получение оптимальной равноосной структуры литых изделий из сплава по изобретению, в котором в процессе наработки исключено появление охрупчивающих фаз. Это приводит к повышению длительной прочности литого металла при повышенных рабочих температурах в сочетании с высоким сопротивлением окислению и коррозионным воздействиям, повышению структурной стабильности на ресурс и улучшению технологических характеристик сплава. Достижение поставленного технического результата дает возможность использовать сплав по изобретению для изготовления литьем сопловых лопаток газотурбинных установок с рабочими температурами 700-920°C.In addition, the additional introduction of molybdenum, in combination with calcium and magnesium, as well as a total aluminum and titanium content of 6.0-6.5 wt.% With a ratio of titanium to aluminum content of 1.4-1.55, provides limited release of nonequilibrium the eutectic phase and obtaining the optimal equiaxial structure of the cast alloy products according to the invention, in which the occurrence of embrittling phases is excluded during the operating time. This leads to an increase in the long-term strength of the cast metal at elevated operating temperatures in combination with high oxidation and corrosion resistance, an increase in the structural stability of the resource, and an improvement in the technological characteristics of the alloy. The achievement of the technical result makes it possible to use the alloy according to the invention for the manufacture of injection nozzle blades of gas turbine units with operating temperatures of 700-920 ° C.
Получению оптимальной равноосной структуры способствует ограничение содержания газов: кислорода и азота; содержания серы и фосфора. Присутствие в заявленных концентрациях молибдена, а также железа и меди, обеспечивает достижение поставленного технического результата в части проведения аргонно-дуговой сварки сплава при монтажных и ремонтных работах.An optimal equiaxial structure is obtained by limiting the content of gases: oxygen and nitrogen; sulfur and phosphorus content. The presence in the declared concentrations of molybdenum, as well as iron and copper, ensures the achievement of the technical result in terms of conducting argon-arc welding of the alloy during installation and repair work.
Ограничение суммарного содержание кальция и магния - менее 0,3 мас.%, оптимальные содержания хрома и кобальта при отношении содержания титана к содержанию алюминия 1,4-1,55, обеспечивает высокую коррозионную стойкость сплава.The limitation of the total content of calcium and magnesium is less than 0.3 wt.%, The optimal content of chromium and cobalt with a ratio of titanium to aluminum content of 1.4-1.55, provides high corrosion resistance of the alloy.
Достижение поставленного технического результата можно проиллюстрировать данными из таблиц 1 и 2.The achievement of the technical result can be illustrated by the data from tables 1 and 2.
Из представленных служебных характеристик сравниваемых сплавов видно, что сплав по изобретению с равноосной структурой превосходит известный сплав по комплексу служебных характеристик, в том числе имеет стоимость шихты на 25-30% ниже, по сравнению с прототипом, и обладает повышенной технологичностью при аргонно-дуговой сварке.From the presented service characteristics of the compared alloys, it can be seen that the alloy according to the invention with an equiaxial structure surpasses the known alloy in terms of a set of service characteristics, including having a charge cost of 25-30% lower compared with the prototype, and has high adaptability for argon-arc welding .
Достигаемые повышенные на 10-12% значения жаропрочности при примерно равном сопротивлении окислению и коррозионным воздействиям в условиях агрессивной среды предлагаемого сплава (по сравнению с известным JN939) позволяют увеличить эксплуатационную надежность и срок службы (на ~20%) сопловых лопаток газотурбинных установок, что, как следствие, приводит к снижению годовой потребности в металле.The achieved heat resistance values increased by 10-12% with approximately equal resistance to oxidation and corrosion in the aggressive environment of the proposed alloy (compared with the known JN939) can increase the operational reliability and service life (by ~ 20%) of nozzle blades of gas turbine plants, which, as a result, leads to a decrease in the annual demand for metal.
Сплав по изобретению имеет незначительный разброс значений служебных характеристик, что обеспечивает повышенные минимально гарантированные значения прочности и пластичности, закладываемые конструкторами в расчет изделия. Величины показателей Mdy крит≤0,928 и Nv≤2,37 указывают на исключение образования в процессе наработки охрупчивающей σ-фазы.The alloy according to the invention has a slight variation in the values of service characteristics, which provides increased minimally guaranteed values of strength and ductility, laid down by designers in the calculation of the product. The values of the indicators M dy crit ≤0.928 and N v ≤2.37 indicate the exclusion of the formation of an embrittling σ-phase during production.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014106117/02A RU2542195C1 (en) | 2014-02-19 | 2014-02-19 | Refractory alloy on nickel base for casting of nozzle vanes with equiaxial structure of gas turbine plants |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014106117/02A RU2542195C1 (en) | 2014-02-19 | 2014-02-19 | Refractory alloy on nickel base for casting of nozzle vanes with equiaxial structure of gas turbine plants |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2542195C1 true RU2542195C1 (en) | 2015-02-20 |
Family
ID=53288945
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014106117/02A RU2542195C1 (en) | 2014-02-19 | 2014-02-19 | Refractory alloy on nickel base for casting of nozzle vanes with equiaxial structure of gas turbine plants |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2542195C1 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2377336C2 (en) * | 2004-09-03 | 2009-12-27 | Хэйнес Интернэшнл, Инк. | Alloy for gasturbine engine |
| EP2298946A2 (en) * | 2009-09-15 | 2011-03-23 | Hitachi Ltd. | High-strength Ni-based wrought superalloy and manufacturing method of same |
| RU2434069C1 (en) * | 2010-10-05 | 2011-11-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Cast heat resistant alloy on base of nickel |
-
2014
- 2014-02-19 RU RU2014106117/02A patent/RU2542195C1/en active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2377336C2 (en) * | 2004-09-03 | 2009-12-27 | Хэйнес Интернэшнл, Инк. | Alloy for gasturbine engine |
| EP2298946A2 (en) * | 2009-09-15 | 2011-03-23 | Hitachi Ltd. | High-strength Ni-based wrought superalloy and manufacturing method of same |
| RU2434069C1 (en) * | 2010-10-05 | 2011-11-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Cast heat resistant alloy on base of nickel |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6393993B2 (en) | Ni-base superalloy with high temperature strength and capable of hot forging | |
| CA2901259C (en) | Nickel-cobalt alloy | |
| JP5127749B2 (en) | Ni-base alloy for turbine rotor of steam turbine and turbine rotor of steam turbine using the same | |
| EP2128283B1 (en) | Nickel-base casting superalloy and cast component for steam turbine using the same | |
| JP2009084684A (en) | Nickel-based alloy for turbine rotor of steam turbine, and turbine rotor of steam turbine | |
| EP2537608B1 (en) | Ni-based alloy for casting used for steam turbine and casting component of steam turbine | |
| JP5502435B2 (en) | High heat and oxidation resistant materials | |
| JP5981250B2 (en) | Ni-base alloy for casting, method for producing Ni-base alloy for casting, and turbine cast component | |
| EP2290115A1 (en) | Process and alloy for turbine blades and blades formed therefrom | |
| JP5932622B2 (en) | Austenitic heat resistant steel and turbine parts | |
| RU2542195C1 (en) | Refractory alloy on nickel base for casting of nozzle vanes with equiaxial structure of gas turbine plants | |
| RU2581337C1 (en) | Heat-resistant nickel-based alloy for casting gas turbine hot section parts of plants with equiaxial structure | |
| RU2576290C1 (en) | Refractory alloy on nickel base for casting of nozzle vanes with equiaxial structure of gas turbine plants | |
| RU2636338C1 (en) | Nickel-base heat resistant alloy for casting nozzle vanes of gas turbine plants | |
| RU2678353C1 (en) | Heat and corrosion resistant nickel-based alloy for casting of large-sized working and nozzle blades of gas-turbine units | |
| RU2678352C1 (en) | Heat-resistant alloy based on nickel for casting of working blades for gas turbines | |
| RU2672463C1 (en) | Heat-resistant nickel-based cast alloy and an article made therefrom | |
| RU2524515C1 (en) | Refractory nickel-based alloy for casting gas turbine working blades | |
| JP2014005528A (en) | Ni-BASED HEAT-RESISTANT ALLOY AND TURBINE COMPONENT | |
| JP6173956B2 (en) | Austenitic heat resistant steel and turbine parts | |
| RU2542194C1 (en) | Refractory nickel-based alloy for casting gas turbine working blades | |
| RU2525883C1 (en) | Refractory nickel-based alloy for casting gas turbine working blades | |
| RU2562202C1 (en) | Composition of nickel-based heat-resistant alloy charge of equiaxial structure for gas turbine working blade casting | |
| RU2585148C1 (en) | Heat-resistant nickel-based alloy for casting with equiaxial structure integrated wheels and working blades | |
| RU2519075C1 (en) | Refractory nickel-based alloy for casting gas turbine hot section parts |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE Effective date: 20160603 |