RU2576290C1

RU2576290C1 - Refractory alloy on nickel base for casting of nozzle vanes with equiaxial structure of gas turbine plants

Info

Publication number: RU2576290C1
Application number: RU2014151522/02A
Authority: RU
Inventors: Сергей Павлович Авдюхин; Михаил Рафаилович Гасуль; Геннадий Дмитриевич Ковалев; Александр Евгеньевич Кульмизев; Владимир Платонович Лубенец; Александр Владимирович Пахоменков; Сергей Михайлович Скирта; Владимир Николаевич Скоробогатых; Сергей Юрьевич Логашов
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2016-02-27

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: refractory nickel based alloy for casting of nozzle vanes with an equiaxial structure of gas turbine plants comprises the following components in wt %: carbon 0.07-0.10; chrome 21.0-21.7; cobalt 10.3-10.8; tungsten 3.6-4.0; titanium 3.6-3.9; aluminium 2.5-2.8; niobium 0.15-0.3; boron 0.010-0.020; zirconium ≤ 0.03; yttrium ≤ 0.03; molybdenum 0.7-1.0; manganese ≤ 0.03, silicon ≤ 0.3; lanthanum ≤ 0.02; iron ≤ 0.5; copper ≤ 0.05; sulphur ≤ 0.005; phosphorous ≤ 0.008; nitrogen ≤ 15 ppm; oxygen ≤ 20 ppm, and nickel - the rest. The total content of aluminium and titanium is 6.1-6.7 wt %, and the ratio Ti:Al is 1.3-1.4.

EFFECT: alloy is characterised by an increased long-term strength at work temperatures of 700-900 degrees in a combination with high oxidation resistance and corrosion strength, increased structural stability for the service life and improved process characteristics.

2 tbl

Description

Изобретение относится к металлургии, в частности к литейным жаропрочным коррозионно-стойким сплавам на основе никеля с хромом и кобальтом, и может быть использовано для изготовления литьем сопловых (направляющих) лопаток газотурбинных установок, работающих в агрессивных средах при температурах 700-900°С.The invention relates to metallurgy, in particular to heat-resistant foundry alloys based on nickel with chromium and cobalt, and can be used for the manufacture of nozzle (guide) blades of gas turbine units operating in aggressive environments at temperatures of 700-900 ° C.

Высокие прочностные характеристики сплавов для литья сопловых лопаток достигаются за счет значительного количества (20-45 об.%) упрочняющей γ′-фазы (Ni₃Al), легированной ниобием, титаном и т.д., а также упрочнением твердого раствора (γ-фазы) кобальтом, хромом, молибденом, вольфрамом.High strength characteristics of alloys for casting nozzle vanes are achieved due to a significant amount (20-45 vol.%) Of the strengthening γ′-phase (Ni ₃ Al) alloyed with niobium, titanium, etc., as well as hardening of the solid solution (γ- phase) cobalt, chromium, molybdenum, tungsten.

Известен жаропрочный сплав на основе никеля для литья лопаток газотурбинных установок, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, тантал, цирконий, бор, гафний, кремний, церий, лантан, иттрий, диспрозий и никель при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,01-0,10; хром 17-21; кобальт 2-12; молибден до 1,0; 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; кремний ≤ 0,1; церий 0,01-0,2; лантан 0,01-0,2; иттрий 0,01-0,2; диспрозий - 0,02-0,2; никель - остальное.Known heat-resistant alloy based on Nickel for casting blades of gas turbine plants containing carbon, chromium, cobalt, tungsten, molybdenum, aluminum, tantalum, zirconium, boron, hafnium, silicon, cerium, lanthanum, yttrium, dysprosium and nickel in the following ratio of components, wt %: carbon 0.01-0.10; chrome 17-21; cobalt 2-12; molybdenum up to 1.0; 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; silicon ≤ 0.1; cerium 0.01-0.2; lanthanum 0.01-0.2; yttrium 0.01-0.2; dysprosium - 0.02-0.2; nickel - the rest.

(RU 2441088; С22С 19/05, опубликовано 27.01.2012).(RU 2441088; С22С 19/05, published January 27, 2012).

Однако данный известный сплав при достаточно высокой жаропрочности имеет пониженную коррозионную стойкость (при том, что содержит остродефицитный тантал до 7 мас.%) и некоторое снижение структурной стабильности на ресурс в процессе наработки.However, this well-known alloy with a sufficiently high heat resistance has a low corrosion resistance (despite the fact that it contains severely deficient tantalum up to 7 wt.%) And a slight decrease in structural stability per resource during operation.

Наиболее близким по технической сущности является жаропрочный сплав на основе никеля MGA2400 для изготовления литьем элементов газовых турбин и сопловых лопаток с равноосной структурой.The closest in technical essence is the heat-resistant alloy based on nickel MGA2400 for the manufacture by casting elements of gas turbines and nozzle blades with equiaxial structure.

Известный сплав включает углерод, хром, кобальт, вольфрам, титан, алюминий, бор, тантал, цирконий, ниобий, церий, иттрий и никель при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 0,08-0,12; хром 18,5-19,5; кобальт 18,5-19,5; вольфрам 5,8-6,2; титан 3,6-3,8; алюминий 1,8-2,2; бор 0,004-0,012; тантал 1,3-1,5; цирконий 0,08-0,12; ниобий 0,9-1,1; церий и иттрий в сумме до 0,02; никель - остальное.The known alloy includes carbon, chromium, cobalt, tungsten, titanium, aluminum, boron, tantalum, zirconium, niobium, cerium, yttrium and nickel in the following ratio of components, wt. %: carbon 0.08-0.12; chrome 18.5-19.5; cobalt 18.5-19.5; tungsten 5.8-6.2; titanium 3.6-3.8; aluminum 1.8-2.2; boron 0.004-0.012; tantalum 1.3-1.5; zirconium 0.08-0.12; niobium 0.9-1.1; cerium and yttrium in the amount of up to 0.02; nickel - the rest.

(I. Okada и др. Development of Ni Base Superalloy of Industrial Gas Turbine, Сб. «Superalloys 2004» под ред. K.A. Green, 2004, стр. 707-712).(I. Okada et al. Development of Ni Base Superalloy of Industrial Gas Turbine, Coll. Superalloys 2004, ed. K.A. Green, 2004, pp. 707-712).

Данный известный сплав имеет высокую жаропрочность, умеренную коррозионную стойкость, но отличается пониженной структурной стабильностью на ресурс - прогнозируется выпадение до 5-6% σ-фазы и фазы Ni₃Ti, которые существенно понижают пластичность.This well-known alloy has high heat resistance, moderate corrosion resistance, but is characterized by reduced structural stability on the resource - precipitation of up to 5-6% σ-phase and Ni ₃ Ti phase are predicted, which significantly reduce ductility.

Таким образом, известные сплавы при рабочих температурах сопловых лопаток 700-900°С и выше, а также воздействиях агрессивной среды не обладают оптимальным сочетанием служебных характеристик (жаропрочность, сопротивление коррозии, структурная стабильность на ресурс) с высокими технологическими характеристиками.Thus, the known alloys at operating temperatures of nozzle blades of 700-900 ° C and above, as well as exposure to aggressive environments do not have the optimal combination of service characteristics (heat resistance, corrosion resistance, structural stability on the resource) with high technological characteristics.

Целью изобретения и его техническим результатом является создание жаропрочного сплава на основе никеля для литья сопловых лопаток с равноосной структурой газотурбинных установок, обладающего повышенной длительной прочностью при рабочих температурах 700-900°С в сочетании с высоким сопротивлением окислению и коррозионным воздействиям, а также повышенной структурной стабильностью на ресурс и улучшенными технологическими характеристиками.The aim of the invention and its technical result is the creation of a heat-resistant nickel-based alloy for casting nozzle blades with the equiaxed structure of gas turbine units, which has increased long-term strength at operating temperatures of 700-900 ° C in combination with high oxidation and corrosion resistance, as well as 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, бор, ниобий, цирконий, иттрий, молибден, марганец, кремний, лантан, железо, медь, серу, фосфор, азот, кислород и никель, при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,07-0,10; хром 21,0-21,7; кобальт 10,3-10,8; вольфрам 3,6-4,0; титан 3,6-3,9; алюминий 2,5-2,8; ниобий 0,15-0,3; бор 0,010-0,020; цирконий ≤ 0,03; иттрий ≤ 0,03; молибден 0,7-1,0; марганец ≤ 0,03 кремний ≤ 0,3; лантан ≤ 0,02; железо ≤ 0,5; медь ≤ 0,05; сера ≤ 0,005; фосфор ≤ 0,008; азот ≤ 15 ppm; кислород ≤ 20 ppm и никель - остальное, при этом суммарное содержание алюминия и титана составляет 6,1-6,7 мас.%, а отношение содержания титана к содержанию алюминия 1,3-1,4.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, boron, niobium, zirconium, yttrium, molybdenum, manganese, silicon, lanthanum, iron , copper, sulfur, phosphorus, nitrogen, oxygen and nickel, in the following ratio of components, wt.%: carbon 0.07-0.10; chrome 21.0-21.7; cobalt 10.3-10.8; tungsten 3.6-4.0; titanium 3.6-3.9; aluminum 2.5-2.8; niobium 0.15-0.3; boron 0.010-0.020; zirconium ≤ 0.03; yttrium ≤ 0.03; molybdenum 0.7-1.0; manganese ≤ 0.03 silicon ≤ 0.3; lanthanum ≤ 0.02; iron ≤ 0.5; copper ≤ 0.05; sulfur ≤ 0.005; phosphorus ≤ 0.008; nitrogen ≤ 15 ppm; oxygen ≤ 20 ppm and nickel - the rest, while the total content of aluminum and titanium is 6.1-6.7 wt.%, and the ratio of titanium to aluminum content is 1.3-1.4.

Количество упрочняющей γ′-фазы (Ni₃Al) в сплаве по изобретению составляет 34-36 ат.%, что обеспечивает высокий и стабильный уровень служебных характеристик, например жаропрочность: 219 МПа за 10³ часов при 850°С.The amount of hardening γ′-phase (Ni ₃ Al) in the alloy according to the invention is 34-36 at.%, Which provides a high and stable level of service characteristics, for example, heat resistance: 219 MPa for 10 ³ hours at 850 ° C.

Введение молибдена до 1,0 мас.% при оптимальном содержании вольфрама и молибдена и суммарном содержании алюминия и титана 6,1-6,7 мас.% обеспечивает повышенные характеристики жаропрочности. Введение марганца, кремния и лантана при отношении содержания титана к содержанию алюминия 1,3-1,4 приводят к повышенному сопротивлению коррозии.The introduction of molybdenum to 1.0 wt.% With an optimal content of tungsten and molybdenum and a total content of aluminum and titanium of 6.1-6.7 wt.% Provides increased heat resistance characteristics. The introduction of manganese, silicon and lanthanum with a ratio of titanium to aluminum content of 1.3-1.4 lead to increased corrosion resistance.

Ограничение содержания железа, меди, серы, азота, кислорода и фосфора в сочетании с формированием карбидов на основе никеля и титана с оптимальной морфологией обеспечивает устранение примесных соединений с границ зерен и повышенные пластические характеристики и ударную вязкость, а также способствует получению оптимальной равноосной структуры сплава.The limitation of the content of iron, copper, sulfur, nitrogen, oxygen, and phosphorus in combination with the formation of carbides based on nickel and titanium with optimal morphology ensures the elimination of impurity compounds from grain boundaries and increased plastic characteristics and toughness, and also helps to obtain the optimal equiaxial structure 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.

Служебные характеристики металла сравниваемых сопловых лопаток были оценены с использованием известной методики ФАКОМП и других известных методик расчета свойств по их химическому составу. Известные методики позволяют с высокой степенью достоверности оценить структурную стабильность на ресурс (образования охрупчивающих фаз), склонность к выделению в литом состоянии неравновесных эвтектических фаз, на месте которых при термообработке литых лопаток образуются поры и трещины, характеристики длительной прочности, критические точки металла лопатки и другие физико-механические свойства,The service characteristics of the metal of the compared nozzle blades were evaluated using the well-known FAKOMP technique and other well-known methods for calculating properties by their chemical composition. Known methods make it possible to assess with a high degree of reliability structural stability for a resource (the formation of embrittling phases), the tendency to precipitate non-equilibrium eutectic phases in the cast state, in the place of which pores and cracks form during the heat treatment of cast blades, long-term strength characteristics, critical points of the blade metal and others physical and mechanical properties

(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.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, pp 721-735)

Из представленных данных, полученных с использованием известных расчетных методик, служебных характеристик жаропрочных сплавов на основе никеля, видно, что сплав по изобретению с равноосной структурой превосходит известные сплавы по комплексу служебных характеристик.From the presented data obtained using known calculation methods, service characteristics of heat-resistant nickel-based alloys, it can be seen that the alloy according to the invention with an equiaxial structure surpasses known alloys in terms of a set of service characteristics.

При примерно равных показателях жаропрочности сплав по изобретению с равноосной структурой имеет заметно более высокие (~ 25%) показатели сопротивления окислению и коррозионным воздействиям, а также более высокую стабильность на ресурс (в нем не прогнозируется выпадение охрупчивающих фаз).With approximately equal heat resistance, the alloy according to the invention with an equiaxial structure has significantly higher (~ 25%) indicators of resistance to oxidation and corrosion, as well as higher stability on the resource (it does not predict the occurrence of embrittle phases).

Повышенная коррозионная стойкость сплава приведет к повышению термоусталостных характеристик и продлению ресурса.The increased corrosion resistance of the alloy will lead to an increase in thermal resistance characteristics and a longer service life.

Достижение поставленного технического результата дает возможность использовать сплав по изобретению для изготовления литьем сопловых лопаток газотурбинных установок с рабочими температурами по металлу 700-900°С, при том что цена шихтовых материалов дешевле на ~ 35% по сравнению с прототипом.Achieving the set 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 metal working temperatures of 700-900 ° C, while the price of charge materials is ~ 35% cheaper compared to the prototype.

Claims

Nickel-based heat-resistant alloy for casting nozzle vanes with equiaxed structure of gas turbine plants, including carbon, chromium, cobalt, tungsten, titanium, aluminum, boron, niobium, zirconium, yttrium and nickel, characterized in that it additionally contains molybdenum, manganese, silicon , lanthanum, iron, copper, sulfur, phosphorus, nitrogen and oxygen in the following ratio of components, wt.%: carbon 0.07-0.10; chrome 21.0-21.7; cobalt 10.3-10.8; tungsten 3.6-4.0; titanium 3.6-3.9; aluminum 2.5-2.8; niobium 0.15-0.3; boron 0.010-0.020; zirconium ≤0.03; yttrium ≤0.03; molybdenum 0.7-1.0; manganese ≤0.03 silicon ≤0.3; lanthanum ≤0.02; iron ≤0.5; copper ≤0.05; sulfur ≤0.005; phosphorus ≤0.008; nitrogen ≤15 ppm; oxygen ≤20 ppm and nickel - the rest, while the total content of aluminum and titanium is 6.1-6.7 wt.%, and the ratio of titanium to aluminum content is 1.3-1.4.