RU2564653C1 - Nickel-based heat resisting alloy for fabrication and repair of gas-turbine unit blades - Google Patents
Nickel-based heat resisting alloy for fabrication and repair of gas-turbine unit blades Download PDFInfo
- Publication number
- RU2564653C1 RU2564653C1 RU2014132685/02A RU2014132685A RU2564653C1 RU 2564653 C1 RU2564653 C1 RU 2564653C1 RU 2014132685/02 A RU2014132685/02 A RU 2014132685/02A RU 2014132685 A RU2014132685 A RU 2014132685A RU 2564653 C1 RU2564653 C1 RU 2564653C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nickel
- alloy
- repair
- fabrication
- blades
- Prior art date
Links
Landscapes
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
- Coating By Spraying Or Casting (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к металлургии, в частности к литейным коррозионностойким жаропрочным сплавам на основе никеля с хромом, кобальтом, вольфрамом и молибденом, и может быть использовано для изготовления литьем деталей горячего тракта газотурбинных установок (ГТУ), работающих в агрессивных средах при температурах 700-920°C, в частности рабочих лопаток газовой турбины с равноосной структурой, а также для ремонта дефектов поверхности изделия, возникающих в результате литья или эксплуатации.The invention relates to metallurgy, in particular to casting corrosion-resistant heat-resistant nickel-based alloys with chromium, cobalt, tungsten and molybdenum, and can be used for casting parts of the hot tract of gas turbine units (GTU) operating in aggressive environments at temperatures of 700-920 ° C, in particular the working blades of a gas turbine with an equiaxial structure, as well as for repairing surface defects of the product resulting from casting or operation.
Высокие прочностные характеристики таких сплавов достигаются за счет значительного количества (35-55 ат. %) упрочняющей γ′-фазы (Ni3Al), легированной ниобием, танталом и другими элементами, а также упрочнением твердого раствора (γ-фазы) кобальтом, хромом, молибденом, вольфрамом. Повышенную коррозионную стойкость обеспечивают содержанием хрома в количестве 13-17 мас. % при отношении содержания титана к содержанию алюминия ≥1,0, а также введением редкоземельных элементов. Сопротивление окислению при повышенных температурах обеспечивают повышенным содержанием алюминия и тантала, ограничением содержания молибдена, а также введением редкоземельных элементов.High strength characteristics of such alloys are achieved due to a significant amount (35-55 at.%) Of the hardening γ′-phase (Ni 3 Al) doped with niobium, tantalum and other elements, as well as hardening of the solid solution (γ-phase) with cobalt, chromium , molybdenum, tungsten. Increased corrosion resistance is provided by the chromium content in the amount of 13-17 wt. % when the ratio of titanium to aluminum content ≥1.0, as well as the introduction of rare earth elements. Oxidation resistance at elevated temperatures is provided by an increased content of aluminum and tantalum, a limitation of the molybdenum content, and also the introduction of rare earth elements.
Структурная стабильность на ресурс (исключение образования охрупчивающих фаз) и склонность к образованию в литом состоянии неравновесных эвтектических фаз, на месте которых при термообработке образуются поры и трещины, могут быть оценены по известной методике ФАКОМП.The structural stability of the resource (the exclusion of the formation of embrittling phases) and the tendency to form in the molten state nonequilibrium eutectic phases, in place of which pores and cracks form during heat treatment, can be evaluated using the well-known FACOMP method.
Характеристики длительной прочности, критические точки сплава и другие его физико-механические свойства также могут быть оценены по известным методикам.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; p.p. 733-742; H. Harada и др., Сб. Superalloys, 2000; p.p. 729-736; H. Harada, Сб. Alloys Design for Nickel-base Superalloys, 1982, p. 721-735).(H. Harada et al., Sat. Superalloys, 1988; pp 733-742; H. Harada et al., Sat. Superalloys, 2000; pp 729-736; H. Harada, Sat. Alloys Design for Nickel-base Superalloys 1982, p. 721-735).
Известен коррозионностойкий жаропрочный сплав на основе никеля для изготовления и ремонта деталей газовых турбин. Известный сплав включает углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, тантал, цирконий, бор, гафний, кремний, редкоземельные элементы - церий, лантан, иттрий, диспрозий и никель, при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 0,01-0,1; хром 17,0-21.0; кобальт 2,0-12,0; вольфрам 1,0-4,0; молибден до 1,0; алюминий 4-4,7; тантал 3,0-7,0; цирконий 0,01-0,1; бор 0,002-0,02; гафний 0,05-1,0; кремний 0,05-1,0; никель остальное, при содержании молибдена, и/или вольфрама, и/или рения 2,0-5,0; углерода, и/или циркония, и/или бора 0,01-0,3; церия, и/или лантана, и/или иттрия, и/или диспрозия 0,01-0,2 и суммарном содержании редкоземельных элементов 0,01-0,2.Known corrosion-resistant heat-resistant alloy based on Nickel for the manufacture and repair of parts of gas turbines. The known alloy includes carbon, chromium, cobalt, tungsten, molybdenum, aluminum, tantalum, zirconium, boron, hafnium, silicon, rare earth elements - cerium, lanthanum, yttrium, dysprosium and nickel, in the following ratio, wt. %: carbon 0.01-0.1; chrome 17.0-21.0; cobalt 2.0-12.0; tungsten 1.0-4.0; molybdenum up to 1.0; aluminum 4-4.7; tantalum 3.0-7.0; zirconium 0.01-0.1; boron 0.002-0.02; hafnium 0.05-1.0; silicon 0.05-1.0; the rest is nickel, when the content of molybdenum and / or tungsten and / or rhenium is 2.0-5.0; carbon and / or zirconium and / or boron 0.01-0.3; cerium and / or lanthanum and / or yttrium and / or dysprosium 0.01-0.2 and the total content of rare earths 0.01-0.2.
(RU 2441088, С22С 19/05, опубликовано 27.01.2012)(RU 2441088, C22C 19/05, published 01/27/2012)
Известный из указанного источника информации предпочтительный вариант реализации (STAL 20) включает, мас. %: кобальта около 5, хрома около 20, вольфрама около 3,0, алюминия около 4,5, тантала около 4,5, углерода около 0,03, циркония около 0,03, бора около 0,005, гафния около 0,1, кремния около 0,1, церия около 0,02, никеля остальное.Known from the specified source of information, the preferred embodiment (STAL 20) includes, by weight. %: cobalt about 5, chromium about 20, tungsten about 3.0, aluminum about 4.5, tantalum about 4.5, carbon about 0.03, zirconium about 0.03, boron about 0.005, hafnium about 0.1, silicon about 0.1, cerium about 0.02, the rest of nickel.
Изготовленные из известного сплава литые лопатки газотурбинной установки из указанного сплава, а также наплавленное покрытие из него для ремонта дефектов поверхности с равноосной структурой, содержат около 35 ат. % упрочняющей γ′-фазы, имеют высокую коррозионную стойкость. Однако, несмотря на достаточное высокое содержание тантала (около 4,5 мас. %), имеют невысокие показатели жаропрочности, что ограничивает применение известного сплава до температуры 800°C. Кроме того, в процессе наработки высока вероятность выпадения около 2% охрупчивающей σ-фазы.Cast blades of a gas turbine installation made of the known alloy from the specified alloy, as well as a deposited coating from it for repairing surface defects with an equiaxial structure, contain about 35 at. % hardening γ′-phase, have high corrosion resistance. However, despite the relatively high tantalum content (about 4.5 wt.%), They have low heat resistance indicators, which limits the use of the known alloy to a temperature of 800 ° C. In addition, during the operating time, a high probability of precipitation of about 2% of the embrittling σ phase is high.
Наиболее близким из указанного источника информации является сплав STAL 18. Известный сплав включает, мас. %: кобальта около 5, хрома около 18, молибдена около 0,8, вольфрама около 3,0, алюминия около 4,4, тантала около 4,4, углерода около 0,03, циркония около 0,03, бора около 0,005, гафния около 0,1, кремния около 0,1, церия около 0,02, иттрия около 0,02, никеля остальное.The closest of the specified source of information is the alloy STAL 18. The known alloy includes, by weight. %: cobalt about 5, chromium about 18, molybdenum about 0.8, tungsten about 3.0, aluminum about 4.4, tantalum about 4.4, carbon about 0.03, zirconium about 0.03, boron about 0.005, hafnium about 0.1, silicon about 0.1, cerium about 0.02, yttrium about 0.02, the rest of nickel.
Однако данный известный сплав с равноосной структурой при достаточно высоких показателях коррозионной стойкости имеет пониженную жаропрочность и не может быть использован при рабочих температурах свыше 820°C.However, this known alloy with an equiaxial structure at sufficiently high corrosion resistance has a low heat resistance and cannot be used at operating temperatures above 820 ° C.
Кроме того, известные сплавы невозможно использовать для ремонта отечественных лопаток для газотурбинных установок наземного и морского базирования, выполненных, например, из сплава ЧС88УВИ (ТУ 1-809-1070-97), а также из близких к нему сплавов ЧС88ВИ, ЧС70ВИ, ЧС70УВИ, ЗМИ-3УВИ, так как рабочие температуры металла лопаток газотурбинных установок составляют около 860-880°C. Также из-за высокого содержания тантала оба известных сплава имеют повышенную стоимость шихтовых материалов.In addition, the known alloys cannot be used to repair domestic blades for land and sea-based gas turbines made, for example, from the ChS88UVI alloy (TU 1-809-1070-97), as well as from the ChS88VI, ChS70VI, ChS70UVI alloys close to it, ZMI-3UVI, since the working temperature of the metal blades of gas turbine plants is about 860-880 ° C. Also, due to the high content of tantalum, both known alloys have an increased cost of charge materials.
Задачей и техническим результатом изобретения является повышение длительной прочности лопаток с равноосной структурой, в том числе лопаток, отремонтированных с использованием сплава по изобретению, повышение сопротивления поверхности лопаток окислению и коррозии, повышение структурной стабильности на ресурс, обеспечение стабильности технологических характеристик сплава и ремонтного покрытия, выполненного из него.The objective and technical result of the invention is to increase the long-term strength of blades with equiaxial structure, including blades repaired using the alloy of the invention, increase the surface resistance of the blades to oxidation and corrosion, increase the structural stability of the resource, ensure the stability of the technological characteristics of the alloy and the repair coating made out of him.
Технический результат достигается тем, что жаропрочный сплав на основе никеля для изготовления и ремонта лопаток газотурбинных установок содержит углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, гафний, церий, иттрий, кремний, бор, цирконий, титан, ниобий, марганец и никель при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 0,04-0,06, хром 13,5-14,1, кобальт 14,9-15,5, вольфрам 1,7-2,1, молибден 1,8-2,2, алюминий 2,6-2,8, гафний 0,1-0,2, церий 0,02±0,005, иттрий 0,02±0,005, кремний 0,1±0,03, бор 0,01±0,002, цирконий 0,05±0,01, титан 5,55-6,05, ниобий 0,1-0,2, марганец 0,07-0,13 и никель остальное, при этом отношение содержания титана к содержанию алюминия >2.The technical result is achieved in that the heat-resistant nickel-based alloy for the manufacture and repair of gas turbine blades contains carbon, chromium, cobalt, tungsten, molybdenum, aluminum, hafnium, cerium, yttrium, silicon, boron, zirconium, titanium, niobium, manganese and nickel in the following ratio of components, wt. %: carbon 0.04-0.06, chromium 13.5-14.1, cobalt 14.9-15.5, tungsten 1.7-2.1, molybdenum 1.8-2.2, aluminum 2, 6-2.8, hafnium 0.1-0.2, cerium 0.02 ± 0.005, yttrium 0.02 ± 0.005, silicon 0.1 ± 0.03, boron 0.01 ± 0.002, zirconium 0.05 ± 0.01, titanium 5.55-6.05, niobium 0.1-0.2, manganese 0.07-0.13 and nickel the rest, while the ratio of titanium to aluminum content is> 2.
В сплаве по изобретению с равноосной структурой, а также наплавленном ремонтном покрытии, выполненном из него, количество легированной упрочняющей γ′-фазы (Ni3Al) составляет 46-50 ат. %, что обеспечивает высокий и стабильный уровень служебных характеристик.In the alloy according to the invention with an equiaxial structure, as well as a deposited repair coating made of it, the amount of doped hardening γ′-phase (Ni 3 Al) is 46-50 at. %, which provides a high and stable level of performance.
Сравнительные данные служебных характеристик известных сплавов и покрытий, а также сплава по изобретению представлены в таблицах 1-4.Comparative performance data of known alloys and coatings, as well as the alloy according to the invention are presented in tables 1-4.
Для получение литых рабочих лопаток газовой турбины из сплава по изобретению используют известные способы и устройства для литья турбинных лопаток из жаропрочных сплавов с равноосной структурой.To obtain cast working blades of a gas turbine from an alloy according to the invention, known methods and devices for casting turbine blades from heat-resistant alloys with equiaxial structure are used.
Из представленных данных следует, что сплав по изобретению с равноосной структурой (таблица 2) имеет более высокие параметры длительной прочности, более высокое сопротивление окислению и коррозии, повышенную структурную стабильность на ресурс.From the presented data it follows that the alloy according to the invention with an equiaxial structure (table 2) has higher parameters of long-term strength, higher oxidation and corrosion resistance, increased structural stability per resource.
Ремонт дефекта на поверхности деталей осуществляют последовательным нанесением необходимого количества слоев жаропрочного сплава по изобретению с последующим оплавлением каждого слоя лазером или плазменным методом с последующей шлифовкой места ремонта. Способ нанесения ремонтного покрытия не имеет принципиального значения, для этого могут быть использованы различные известные способы нанесения защитных жаропрочных покрытий с их последующим оплавлением (спеканием): нанесение пасты, наплавка, газотермическое, вакуумное ионно-плазменное, магнетронное напыление и т.д.Repair of a defect on the surface of parts is carried out by sequentially applying the required number of layers of the heat-resistant alloy according to the invention, followed by fusion of each layer with a laser or plasma method, followed by grinding of the repair site. The method of applying a repair coating is not of fundamental importance, for this, various known methods of applying protective heat-resistant coatings with their subsequent fusion (sintering) can be used: applying paste, surfacing, thermal spray, vacuum ion-plasma, magnetron sputtering, etc.
В зоне первичного оплавления (контактная зона) нанесенного ремонтного покрытия на подложку из сплава ЧС88УВИ не прогнозируется выпадение охрупчивающей σ-фазы. При этом основные физико-механические свойства металла в контактной зоне идентичны свойствам как основного металла, так и наплавленного сплава по изобретению, что должно гарантировать высокую работоспособность изделия из сплава ЧС88УВИ нанесенным и оплавленным покрытием (табл. 4).In the primary reflow zone (contact zone) of the applied repair coating on the ChS88UVI alloy substrate, the embrittlement of the σ phase is not predicted to occur. In this case, the basic physical and mechanical properties of the metal in the contact zone are identical to the properties of both the base metal and the deposited alloy according to the invention, which should guarantee high performance of the ChS88UVI alloy product with a deposited and fused coating (Table 4).
Также из данных таблицы 4 следует, что предлагаемый сплав в покрытии для ремонта имеет служебные характеристики, практически равные служебным характеристикам металла подложки, но имеют более высокую структурную стабильность за счет отсутствия выпадения охрупчивающей σ-фазы (в сплаве ЧС88УВИ ее содержание доходит до 3-5%), а при равенстве коррозионной стойкости, оцененной по потере металла, сплав по изобретению превосходит металл подложки по сопротивлению скорости коррозии.Also from the data of table 4 it follows that the proposed alloy in the coating for repair has service characteristics that are almost equal to the service characteristics of the substrate metal, but have higher structural stability due to the absence of the precipitating embrittlement of the σ phase (in the ChS88UVI alloy its content reaches 3-5 %), and with equal corrosion resistance, estimated by the loss of metal, the alloy according to the invention is superior to the substrate metal in resistance to corrosion rate.
Как известно, появление в металле лопаток в процессе наработки около 3-5% охрупчивающей σ-фазы снижает ресурс эксплуатации лопаток на 20-30%. Поэтому использование сплава по изобретению позволит продлить ресурс лопаток и обеспечит снижение затрат на приобретение новых лопаток при ремонте газотурбинных установок.As is known, the appearance of blades in the metal during the production process of about 3-5% of the embrittling σ-phase reduces the service life of the blades by 20-30%. Therefore, the use of the alloy according to the invention will extend the life of the blades and will reduce the cost of acquiring new blades in the repair of gas turbine plants.
Предлагаемый жаропрочный сплав на основе никеля, реализованный при узких интервалах легирования, должен обеспечить стабилизацию служебных характеристик и повысить минимально гарантированные значения прочности по сравнению с известными сплавами, имеющими достаточно широкий диапазон концентраций легирующих компонентов. Узкие интервалы легирования также обеспечивают стабильность технологических характеристик сплава и ремонтного покрытия, выполненного из него.The proposed heat-resistant nickel-based alloy, implemented at narrow alloying intervals, should provide stabilization of service characteristics and increase the minimum guaranteed strength values in comparison with known alloys having a fairly wide range of alloying component concentrations. Narrow alloying intervals also ensure the stability of the technological characteristics of the alloy and the repair coating made of it.
При этом сплав по изобретению практически вдвое дешевле известных сплавов по стоимости шихтовых материалов.Moreover, the alloy according to the invention is almost twice cheaper than the known alloys at the cost of charge materials.
Сплав по изобретению наиболее целесообразно использовать в качестве наплавленного покрытия для ремонта дефектов лопаток из жаропрочных сплавов типа ЧС88УВИ, ЧС88ВИ, ЧС70ВИ, ЧС70УВИ, ЗМИ-3УВИ и др.The alloy according to the invention is most expediently used as a deposited coating for repairing defects of blades from heat-resistant alloys of the type ChS88UVI, ChS88VI, ChS70VI, ChS70UVI, ZMI-3UVI, etc.
Claims (1)
при этом отношение содержания титана к содержанию алюминия >2. Nickel-based heat-resistant alloy for the manufacture and repair of gas turbine blades containing carbon, chromium, cobalt, tungsten, molybdenum, aluminum, hafnium, cerium, yttrium, silicon, boron, zirconium and nickel, characterized in that it additionally contains titanium, niobium and manganese in the following ratio of components, wt.%:
the ratio of the titanium content to the aluminum content> 2.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014132685/02A RU2564653C1 (en) | 2014-08-08 | 2014-08-08 | Nickel-based heat resisting alloy for fabrication and repair of gas-turbine unit blades |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014132685/02A RU2564653C1 (en) | 2014-08-08 | 2014-08-08 | Nickel-based heat resisting alloy for fabrication and repair of gas-turbine unit blades |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2564653C1 true RU2564653C1 (en) | 2015-10-10 |
Family
ID=54289561
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014132685/02A RU2564653C1 (en) | 2014-08-08 | 2014-08-08 | Nickel-based heat resisting alloy for fabrication and repair of gas-turbine unit blades |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2564653C1 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1795621A1 (en) * | 2005-12-09 | 2007-06-13 | Hitachi, Ltd. | High-strength and high-ductility ni-base superalloys, parts using them, and method of producing the same |
| RU2377336C2 (en) * | 2004-09-03 | 2009-12-27 | Хэйнес Интернэшнл, Инк. | Alloy for gasturbine engine |
| RU2441088C1 (en) * | 2008-03-03 | 2012-01-27 | Сименс Акциенгезелльшафт | Nickel-based super alloy hardened by gamma-dash phase |
-
2014
- 2014-08-08 RU RU2014132685/02A patent/RU2564653C1/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 |
| EP1795621A1 (en) * | 2005-12-09 | 2007-06-13 | Hitachi, Ltd. | High-strength and high-ductility ni-base superalloys, parts using them, and method of producing the same |
| RU2441088C1 (en) * | 2008-03-03 | 2012-01-27 | Сименс Акциенгезелльшафт | Nickel-based super alloy hardened by gamma-dash phase |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA2841329C (en) | Hot-forgeable ni-based superalloy excellent in high temperature strength | |
| KR102165364B1 (en) | Cast nickel-based superalloy including iron | |
| JP5696995B2 (en) | Heat resistant superalloy | |
| JP6248117B2 (en) | Nickel-based superalloys and articles | |
| US9604432B2 (en) | Coating structure material | |
| JPWO2007037277A1 (en) | Ni-base superalloy with excellent oxidation resistance | |
| JP2006291344A (en) | Ni-based alloy member, manufacturing method therefor, turbine engine part, welding material and manufacturing method therefor | |
| JP2005298973A (en) | Nickel based superalloy, composition, article and gas turbine engine blade | |
| EP3650566B1 (en) | Nickel-based superalloy and articles | |
| JP2014034720A (en) | Ni-BASED SINGLE CRYSTAL SUPERALLOY | |
| JP2013208628A (en) | Ni-BASED ALLOY WELDING MATERIAL, AND WELDING WIRE, ROD AND POWDER USING THE SAME | |
| EP2520678B1 (en) | Nickel-base alloy | |
| JP5626920B2 (en) | Nickel-base alloy castings, gas turbine blades and gas turbines | |
| JP7233422B2 (en) | Highly oxidation resistant alloy for gas turbine applications | |
| JP6970438B2 (en) | Ni-based superalloy | |
| EP3862447B1 (en) | High oxidation-resistant alloy and gas turbine applications using the same | |
| JP2015030915A (en) | Ni-BASED CASTING SUPER ALLOY AND CASTING MADE OF THE Ni-BASED CASTING SUPER ALLOY | |
| RU2564653C1 (en) | Nickel-based heat resisting alloy for fabrication and repair of gas-turbine unit blades | |
| RU2655397C2 (en) | Improved wear-resistance of high-temperature structural detail infused by cobalt coating | |
| KR20110114928A (en) | Ni base single crystal superalloy with good creep property | |
| JP2014005528A (en) | Ni-BASED HEAT-RESISTANT ALLOY AND TURBINE COMPONENT | |
| RU2524515C1 (en) | Refractory nickel-based alloy for casting gas turbine working blades | |
| JP6045857B2 (en) | High-strength Ni-base superalloy and gas turbine turbine blade using the same | |
| KR102197355B1 (en) | Ni base single crystal superalloy | |
| KR20190058195A (en) | Ni base single crystal superalloy and Method of manufacturing thereof |