RU2626118C2 - Casting heat resistant nickel-based alloy - Google Patents
Casting heat resistant nickel-based alloy Download PDFInfo
- Publication number
- RU2626118C2 RU2626118C2 RU2015139651A RU2015139651A RU2626118C2 RU 2626118 C2 RU2626118 C2 RU 2626118C2 RU 2015139651 A RU2015139651 A RU 2015139651A RU 2015139651 A RU2015139651 A RU 2015139651A RU 2626118 C2 RU2626118 C2 RU 2626118C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- alloy
- nickel
- tungsten
- resistant nickel
- casting heat
- Prior art date
Links
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C19/00—Alloys based on nickel or cobalt
- C22C19/03—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
- C22C19/05—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium
- C22C19/051—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W
- C22C19/056—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W with the maximum Cr content being at least 10% but less than 20%
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Molds, Cores, And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
- Mold Materials And Core Materials (AREA)
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области металлургии, в частности к литейным жаропрочным сплавам на никелевой основе, используемым для изготовления высоконагруженных деталей газотурбинных двигателей и установок, а именно рабочих и сопловых лопаток газовых турбин с направленной столбчатой и монокристальной структурой, работающих при температурах 1000°C и выше.The invention relates to the field of metallurgy, in particular to cast nickel-based heat-resistant alloys used for the manufacture of highly loaded parts of gas turbine engines and plants, namely, working and nozzle blades of gas turbines with directional columnar and single-crystal structure, operating at temperatures of 1000 ° C and above.
Развитие жаропрочных никелевых сплавов с монокристаллической структурой, используемых для изготовления рабочих и сопловых лопаток газовых турбин, является ведущим направлением, обеспечивающим значительное повышение параметров и надежности современных газотурбинных двигателей.The development of heat-resistant nickel alloys with a single crystal structure used for the manufacture of working and nozzle blades of gas turbines is a leading direction that provides a significant increase in the parameters and reliability of modern gas turbine engines.
Достигнутое увеличение жаропрочных свойств обеспечивается за счет совершенствования теории легирования, в том числе внедрения в составы сплавов таких сравнительно новых элементов, как Та и Re. Эти элементы, обладая высокой температурой плавления и низкой диффузионной подвижностью обеспечивают:The achieved increase in heat-resistant properties is ensured by improving the theory of alloying, including the introduction of relatively new elements such as Ta and Re into alloy compositions. These elements, having a high melting point and low diffusion mobility, provide:
- заметное повышение прочности межатомных связей;- a marked increase in the strength of interatomic bonds;
- существенное повышение сопротивления деформации ползучести и возникновению устойчивых трещин;- a significant increase in creep strain resistance and the occurrence of stable cracks;
- значительное улучшение структурной стабильности.- a significant improvement in structural stability.
Первый отечественный сплав этой группы ЖС32 (ρ=8,76 г/см3, ), содержащий 4% рения (Re) и 4% тантала (Та), не имевший на тот период аналогов ни в РФ, ни за рубежом, за сравнительно короткое время нашел широкое применение во многих газотурбинных двигателях IV поколения и сегодня является одним из наиболее востребованных материалов.The first domestic alloy of this group is ZhS32 (ρ = 8.76 g / cm 3 , ), containing 4% rhenium (Re) and 4% tantalum (Ta), which had no analogues at that time either in the Russian Federation or abroad, for a relatively short time has been widely used in many IV generation gas turbine engines and today is one of the most demanded materials.
Однако использование этого сплава связано одновременно с серьезной проблемой - существенно выросшей в последние десятилетия стоимостью рения, которая достигла в настоящее время 5-8 103 USD/кг, в результате этот сплав оказался весьма дорогим, что существенно сузило возможности его применения. Стоимость шихты этого сплава в настоящий период составляет 17,8 млн. руб./т, в то время как стоимость легирующих элементов сплава предыдущего поколения ЖС6У, не содержащего рений, равна 2,2 млн. руб./т, то есть в 8 раз меньше.However, the use of this alloy is simultaneously associated with a serious problem - the cost of rhenium, which has risen significantly in recent decades, which has now reached 5-8 103 USD / kg, as a result, this alloy turned out to be very expensive, which significantly narrowed the possibilities of its use. The cost of the charge of this alloy in the current period is 17.8 million rubles / t, while the cost of alloying elements of the previous generation alloy ZhS6U without rhenium is 2.2 million rubles / t, i.e. 8 times smaller.
Известен литейный жаропрочный сплав на основе никеля, предназначенный для литья деталей методом направленной кристаллизации, имеющий следующий состав, мас.%:Known casting heat-resistant alloy based on Nickel, intended for casting parts by directional crystallization, having the following composition, wt.%:
(описание к патенту РФ на изобретение №2365656, МПК C22C 19/05, опубл. 27.08.2009 г.).(description of the patent of the Russian Federation for the invention No. 2365656, IPC C22C 19/05, published on 08.27.2009).
Сплав предназначен для литья рабочих и сопловых лопаток газотурбинных двигателей и установок с направленной столбчатой и монокристалльной структурами. Сплав имеет достаточно высокий уровень жаропрочности, удельный вес сплава равен 8,84 г/см3.The alloy is designed for casting working and nozzle blades of gas turbine engines and installations with directional columnar and single crystal structures. The alloy has a fairly high level of heat resistance , the specific gravity of the alloy is 8.84 g / cm 3 .
Вместе с тем стоимость его шихты является весьма высокой, что серьезно снижает объемы практического применения этого сплава.However, the cost of its charge is very high, which seriously reduces the volume of practical application of this alloy.
Известен литейный жаропрочный сплав на основе никеля для литья лопаток с монокристаллической структурой, имеющий следующий средний состав, мас.%:Known casting heat-resistant alloy based on Nickel for casting vanes with a single crystal structure, having the following average composition, wt.%:
(Жаклин В. Вах, Кен Харри «Новые монокристаллические жаропрочные сплавы CMSX-7 и CMSX-8», компания Cannon-Muskegon, «Superalloys 2012», TMS-2012, p.p. 179-188, под ред. Эрика С. Хайрона и др.).(Jacqueline W. Wach, Ken Harri “New Single Crystal Heat Resistant Alloys CMSX-7 and CMSX-8”, Cannon-Muskegon, “Superalloys 2012”, TMS-2012, pp 179-188, edited by Eric S. Hyron and others .).
Сплав не содержит рения, однако уровень его жаропрочности является недостаточно высоким - . Удельный вес сплава составляет 8,8 г/см3.The alloy does not contain rhenium, but the level of its heat resistance is not high enough - . The specific gravity of the alloy is 8.8 g / cm 3 .
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является литейный жаропрочный сплав на основе никеля, имеющий следующий химический состав, мас.%:The closest analogue, taken as a prototype, is a casting heat-resistant alloy based on Nickel, having the following chemical composition, wt.%:
(описание к патенту РФ на изобретение №2439185, МПК C22C 19/05, опубл. 10.01.2012).(description of the patent of the Russian Federation for the invention No. 2439185, IPC C22C 19/05, publ. 10.01.2012).
Сплав предназначен для литья рабочих и сопловых лопаток газотурбинных двигателей и установок с направленной столбчатой и монокристалльной структурами. Сплав обладает наиболее высоким среди всех известных аналогов, не содержащих рений, уровнем жаропрочности . Однако он отличается и весьма большим удельным весом (γ=9,03 г/см3), что также затрудняет его практическое использование.The alloy is designed for casting working and nozzle blades of gas turbine engines and installations with directional columnar and single crystal structures. The alloy has the highest level of heat resistance among all known rhenium-free analogues. . However, it differs in a very large specific gravity (γ = 9.03 g / cm 3 ), which also complicates its practical use.
Задачей изобретения является снижение удельного веса жаропрочного никелевого сплава до уровня (8,84-8,87) г/см3 при сохранении высокой жаропрочности, соответствующей широко применяемому сплаву ЖС 32 ВИ .The objective of the invention is to reduce the specific gravity of heat-resistant nickel alloy to a level of (8.84-8.87) g / cm 3 while maintaining high heat resistance corresponding to the widely used alloy ZhS 32 VI .
Техническим результатом изобретения является снижение удельного веса сплава при сохранении высокого уровня жаропрочности.The technical result of the invention is to reduce the specific gravity of the alloy while maintaining a high level of heat resistance.
Технический результат достигается тем, что литейный жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий хром, кобальт, вольфрам, алюминий, тантал, углерод, иттрий, лантан, церий, кремний, марганец, в отличие от известного, дополнительно содержит молибден, гафний, бор и скандий при следующем соотношении компонентов, мас.%:The technical result is achieved by the fact that the casting heat-resistant alloy based on nickel containing chromium, cobalt, tungsten, aluminum, tantalum, carbon, yttrium, lanthanum, cerium, silicon, manganese, in contrast to the known, additionally contains molybdenum, hafnium, boron and scandium in the following ratio of components, wt.%:
В заявленном сплаве снижено содержание тяжелого вольфрама с (14,0-16,0) мас.% до (7,0-10,0) мас.%. Вольфрам является одним из элементов, которые оказывают значительное положительное влияние на высокотемпературные прочностные свойства никелевых сплавов. Поэтому снижение его концентрации в сплаве было в определенной мере компенсировано введением в его состав молибдена в количестве (1,0-4,0) мас.%, который также положительно влияет на жаропрочность, но его удельный вес в ≈ 1,9 раза меньше, чем вольфрама.In the claimed alloy, the content of heavy tungsten is reduced from (14.0-16.0) wt.% To (7.0-10.0) wt.%. Tungsten is one of the elements that have a significant positive effect on the high temperature strength properties of nickel alloys. Therefore, a decrease in its concentration in the alloy was compensated to a certain extent by the introduction of molybdenum in its amount in the amount of (1.0-4.0) wt.%, Which also positively affects the heat resistance, but its specific gravity is ≈1.9 times less. than tungsten.
С этой же целью одновременно в состав сплава был введен гафний, который также эффективно повышает жаропрочность, совершенствует (γ-γ') структуру и при этом его удельный вес в ≈ 1,4 раза ниже, чем удельный вес вольфрама.For the same purpose, hafnium was simultaneously introduced into the alloy composition, which also effectively increases heat resistance, improves (γ-γ ') structure and at the same time its specific gravity is ≈ 1.4 times lower than the specific gravity of tungsten.
Кроме того, с целью улучшения образования более дисперсных выделений частиц упрочняющей γ-фазы совершенствования (γ-γ') упрочнения в сплаве за счет улучшения состояния межфазных границ осуществленного дополнительным легированием бором и скандием.In addition, in order to improve the formation of more dispersed precipitates of particles of the strengthening γ-phase of improvement (γ-γ ') hardening in the alloy by improving the state of the interphase boundaries by additional doping with boron and scandium.
Введение бора образует бориды, которые располагаются по дефектным местам кристаллических решеток, тем самым ограничивая их рост, и улучшая сопротивление ползучести.The introduction of boron forms borides, which are located at the defective sites of the crystal lattices, thereby limiting their growth, and improving creep resistance.
При этом скандий оказывает накопительное влияние на жаростойкость и рафинирует металл, связывая серу, фосфор и другие вредные примеси в тугоплавкие мелкодисперсные частицы, которые становятся дополнительными упрочняющими сплав соединениями.At the same time, scandium has an accumulative effect on heat resistance and refines the metal, binding sulfur, phosphorus and other harmful impurities to refractory fine particles, which become additional alloy strengthening compounds.
Увеличение хрома и кобальта позволяет увеличить сопротивление росту усталостной трещины, повысить жаростойкость и коррозионную стойкость, а также дополнительно упрочнить твердый раствор.The increase in chromium and cobalt allows you to increase the resistance to the growth of fatigue cracks, increase heat resistance and corrosion resistance, as well as additionally strengthen the solid solution.
Пример осуществления.An example implementation.
Для апробации сплава были выплавлены три опытных состава сплава, содержание компонентов которых приведено в таблице 1.To test the alloy, three experimental alloy compositions were smelted, the content of the components of which are given in table 1.
Сплав выплавляли в вакуумной индукционной печи ВИП-0-10 Лейболд Хереце, мощностью 50 кВт, в вакууме 10-3 торр.The alloy was smelted in a VIP-0-10 Leibold Herece vacuum induction furnace with a power of 50 kW and in a vacuum of 10-3 torr.
Переплав полученной шихтовой заготовки с целью реализации монокристальной структуры осуществлялся на установке ВИЛ НК мощностью 450 кВт, емкостью тигля 10 кг в вакууме ~ 10-3 торр с применением затравок заданной ориентации. Выплавляемые образцы после травления подвергались контролю с целью отбраковки монокристаллов от паразитных зерен, а также рентген-контролю с целью определения кристаллической ориентации. На испытания механических характеристик передавались образцы с отклонениями кристаллов от продольной оси не более ±6°.The obtained billet batch was remelted in order to realize a single-crystal structure using a 450 kW kW VIL unit and a crucible capacity of 10 kg in a vacuum of ~ 10-3 torr using seeds of a given orientation. Smelted samples after etching were subjected to control in order to reject single crystals from spurious grains, as well as to x-ray control in order to determine the crystalline orientation. Samples with crystal deviations from the longitudinal axis of not more than ± 6 ° were transferred to mechanical characteristics tests.
Результаты испытаний механических характеристик известного сплава ЖС32ВИ и предлагаемого сплава и их удельный вес приведены в таблице 2.The test results of the mechanical characteristics of the known alloy ZhS32VI and the proposed alloy and their specific gravity are shown in table 2.
Как видно из таблицы, предлагаемый сплав по уровню прочности при 20°C соответствует серийному сплаву ЖС32ВИ (Энциклопедия «Машиностроение», разд. II, том II-3. М.: Машиностроение, 2001, с. 545) и несколько уступает по этому показателю прототипу. Однако новый сплав превосходит ЖС32ВИ (примерно на 17%) и прототип (приблизительно на 9%) по значению предела текучести. Пластичные характеристики предлагаемого сплава несколько ниже, однако, они вполне достаточны для обеспечения надежной работы конструкций и соответствуют прототипу.As can be seen from the table, the proposed alloy in terms of strength at 20 ° C corresponds to the production alloy ZhS32VI (Encyclopedia "Mechanical Engineering", section II, volume II-3. M .: Mechanical Engineering, 2001, p. 545) and is somewhat inferior in this indicator prototype. However, the new alloy exceeds ZhS32VI (about 17%) and the prototype (about 9%) in terms of yield strength. The ductile characteristics of the proposed alloy are slightly lower, however, they are quite sufficient to ensure reliable operation of the structures and correspond to the prototype.
По уровню длительной прочности и удельному весу предлагаемый сплав соответствует серийному материалу ЖС32ВИ. При этом стоимость шихты предлагаемого сплава составляет 7,5 млн. руб./т, в то время как цена шихты сплава ЖС32ВИ, обладающего таким же уровнем работоспособности, равна 17,8 млн. руб./т, то есть выше в 2,4 раза.In terms of long-term strength and specific gravity, the proposed alloy corresponds to the production material ZhS32VI. At the same time, the cost of the charge of the proposed alloy is 7.5 million rubles / t, while the price of the charge of the alloy ZhS32VI, which has the same level of performance, is 17.8 million rubles / t, that is, 2.4 times.
Несмотря на то, что предлагаемый сплав уступает прототипу по уровню длительной прочности, он имеет меньший удельный вес, благодаря чему изготовленные из него лопатки турбин имеют меньшую массу и испытывают меньшие нагрузки, обусловленные центробежными силами. Предлагаемый сплав имеет оптимальную структуру: дисперсные кубические выделения γ'-фазы размером (0,35-0,45) мкм, незначительное количество эвтектической фазы, отличается отсутствием охрупчивающих ТПУ-фаз и α-фаз на основе вольфрама, молибдена, рения и хрома. Его структурная стабильность (определяемая температурами начала TНрγ' и полного Тпр растворения γ'-фазы) несколько лучше, чем у сплава ЖС32ВИ. Сравнительные термодинамические параметры предлагаемого сплава и сплава ЖС32ВИ приведены в таблице 3.Despite the fact that the proposed alloy is inferior to the prototype in terms of long-term strength, it has a lower specific gravity, due to which turbine blades made from it have a lower mass and experience lower loads due to centrifugal forces. The proposed alloy has an optimal structure: dispersed cubic precipitates of the γ'-phase with a size of (0.35-0.45) microns, a small amount of eutectic phase, characterized by the absence of embrittle TPU phases and α phases based on tungsten, molybdenum, rhenium and chromium. Its structural stability (determined by the temperatures of the onset T Нрγ ' and the complete Т pr of the γ'-phase dissolution) is somewhat better than that of the ZhS32VI alloy. Comparative thermodynamic parameters of the proposed alloy and alloy ZhS32VI are shown in table 3.
Изобретение обеспечивает высокий уровень жаропрочности сплава при одновременно существенном снижении стоимости его шихтовых материалов и дефицитности за счет отсутствия в его составе крайне дорогого и остродефицитного рения.The invention provides a high level of heat resistance of the alloy while significantly reducing the cost of its charge materials and scarcity due to the absence of extremely expensive and severely deficient rhenium in its composition.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015139651A RU2626118C2 (en) | 2015-09-17 | 2015-09-17 | Casting heat resistant nickel-based alloy |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015139651A RU2626118C2 (en) | 2015-09-17 | 2015-09-17 | Casting heat resistant nickel-based alloy |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2015139651A RU2015139651A (en) | 2017-03-22 |
RU2626118C2 true RU2626118C2 (en) | 2017-07-21 |
Family
ID=58454818
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015139651A RU2626118C2 (en) | 2015-09-17 | 2015-09-17 | Casting heat resistant nickel-based alloy |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2626118C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2700442C1 (en) * | 2019-06-04 | 2019-09-17 | Публичное Акционерное Общество "Одк-Сатурн" | Nickel heat-resistant alloy for monocrystalline casting |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20080101981A1 (en) * | 2004-12-23 | 2008-05-01 | Douglas James Arrell | Ni Based Alloy, a Component, a Gas Turbine Arrangement and Use of Pd in Connection With Such an Alloy |
CN101528959B (en) * | 2006-10-17 | 2012-10-10 | 西门子公司 | Nickel-base superalloys |
RU2520934C1 (en) * | 2013-03-15 | 2014-06-27 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн" | Heat-resistant nickel alloy with higher resistance to sulphide corrosion combined with high heat resistance |
RU2525883C1 (en) * | 2013-09-05 | 2014-08-20 | Открытое акционерное общество Научно-производственное объединение "Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения" ОАО НПО "ЦНИИТМАШ" | Refractory nickel-based alloy for casting gas turbine working blades |
-
2015
- 2015-09-17 RU RU2015139651A patent/RU2626118C2/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20080101981A1 (en) * | 2004-12-23 | 2008-05-01 | Douglas James Arrell | Ni Based Alloy, a Component, a Gas Turbine Arrangement and Use of Pd in Connection With Such an Alloy |
CN101528959B (en) * | 2006-10-17 | 2012-10-10 | 西门子公司 | Nickel-base superalloys |
RU2520934C1 (en) * | 2013-03-15 | 2014-06-27 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн" | Heat-resistant nickel alloy with higher resistance to sulphide corrosion combined with high heat resistance |
RU2525883C1 (en) * | 2013-09-05 | 2014-08-20 | Открытое акционерное общество Научно-производственное объединение "Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения" ОАО НПО "ЦНИИТМАШ" | Refractory nickel-based alloy for casting gas turbine working blades |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2700442C1 (en) * | 2019-06-04 | 2019-09-17 | Публичное Акционерное Общество "Одк-Сатурн" | Nickel heat-resistant alloy for monocrystalline casting |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2015139651A (en) | 2017-03-22 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9945019B2 (en) | Nickel-based heat-resistant superalloy | |
JP2881626B2 (en) | Single crystal nickel-based superalloy | |
CN102732750B (en) | Nickel base single crystal superalloy with low cost and low density | |
CN103114225B (en) | A kind of High-strength hot-corrosion-resistnickel-base nickel-base monocrystal high-temperature alloy | |
CN100482824C (en) | Single crystal high temperature nickel base alloy containing rhenium and its preparing process | |
JP2007162041A (en) | Ni-BASE SUPERALLOY WITH HIGH STRENGTH AND HIGH DUCTILITY, MEMBER USING THE SAME, AND MANUFACTURING METHOD OF THE MEMBER | |
KR20130054904A (en) | Renium-free single crystal superalloy for turbine blades and vane application | |
JP5876915B2 (en) | High strength single crystal superalloy | |
JP2014070230A (en) | METHOD FOR PRODUCING Ni-BASED SUPERALLOY | |
CN114164357B (en) | Low-cost low-density nickel-based single crystal superalloy | |
RU2626118C2 (en) | Casting heat resistant nickel-based alloy | |
CN114164356B (en) | High-strength nickel-based single crystal superalloy | |
CN103132148B (en) | A kind of low density, low cost, strength nickel-base single crystal super alloy | |
JP5595495B2 (en) | Nickel-base superalloy | |
RU2439185C1 (en) | Heat-resistant cast alloy on basis of nickel | |
RU2439184C1 (en) | Heat-resistant alloy on nickel basis for monocrystalline casting | |
RU2434069C1 (en) | Cast heat resistant alloy on base of nickel | |
RU2588949C1 (en) | ALLOY BASED ON INTERMETALLIC COMPOUND Ni3Al AND ARTICLE MADE THEREFROM | |
JP2579316B2 (en) | Single crystal Ni-base superalloy with excellent strength and corrosion resistance | |
RU2402624C1 (en) | Heat resistant alloy on base of nickel | |
RU2353691C2 (en) | Composition of heat-resistant nickel alloy (versions) | |
EP0045563B1 (en) | Nickel-base alloy for single crystal casting | |
RU2794496C1 (en) | Heat-resistant nickel-based casting alloy and a product made from it | |
RU2710759C1 (en) | Nickel-based heat-resistant alloy and article made from it | |
RU2802841C1 (en) | Heat-resistant nickel-based casting alloy and a product made from it |