RU2636338C1

RU2636338C1 - Nickel-base heat resistant alloy for casting nozzle vanes of gas turbine plants

Info

Publication number: RU2636338C1
Application number: RU2017108435A
Authority: RU
Inventors: Владимир Николаевич Скоробогатых; Владимир Платонович Лубенец; Сергей Юрьевич Логашов
Priority date: 2017-03-14
Filing date: 2017-03-14
Publication date: 2017-11-22

Abstract

FIELD: metallurgy.SUBSTANCE: nickel-base refractory alloy for casting nozzle vanes of gas turbine plants contains, wt %: carbon 0.02-0.10; chromium 18.3-19.5; cobalt 3.7-4.7; tungsten 5.8-6.4; titanium: 3.7-4.3; tantalum 1.3-1.7; aluminium 2.8-3.3; boron 0.002-0.020; niobium 0.15-0.4; zirconium ≤ 0.03; yttrium ≤ 0.03; molybdenum 0.15-0.35; hafnium 0.10-0.20; manganese ≤ 0.03; silicon ≤ 0.3; iron ≤ 0.5; copper ≤ 0.05; sulfur ≤ 0.005; phosphorus ≤ 0.008; nitrogen ≤ 15 ppm; oxygen ≤ 20 ppm and nickel are the rest, at that the total content of aluminium and titanium is 6.5-7.6 wt %, and the ratio of titanium content to the alumiinum content is ≥ 1.3.EFFECT: alloy is characterized by prolonged long strength at working temperatures of 700-1000°C in combination with high fatigue resistance, oxidation and corrosion effects, as well as increased structural stability of life and improved technological characteristics.2 tbl

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 с равноосной и монокристаллической структурами сопловых (направляющих) лопаток газотурбинных установок, работающих в агрессивных средах при температурах 700-1000°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 casting nozzle (guide) blades of gas turbine units operating in aggressive environments at temperatures of 700-1000 ° by casting with equiaxed and single-crystal structures FROM.

Известен жаропрочный сплав IN939 на основе никеля для литья лопаток газотурбинных установок, содержащий углерод, хром, кобальт, титан, вольфрам, алюминий, тантал, цирконий, бор, ниобий, церий и никель при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 0,13-0,165; хром 22-22,6; кобальт 18,5-19,4; титан 3,6-3,8; вольфрам 1,9-2,2; алюминий 1,8-2,1 тантал 1,0-1,5; цирконий 0,08-0,12; бор 0,008-0,012; ниобий 0,8-1,2 церий 0,01-0,2; никель - остальное.Known heat-resistant alloy IN939 based on nickel for casting blades of gas turbine plants containing carbon, chromium, cobalt, titanium, tungsten, aluminum, tantalum, zirconium, boron, niobium, cerium and nickel in the following ratio of components, wt. %: carbon 0.13-0.165; chrome 22-22.6; cobalt 18.5-19.4; titanium 3.6-3.8; tungsten 1.9-2.2; aluminum 1.8-2.1 tantalum 1.0-1.5; zirconium 0.08-0.12; boron 0.008-0.012; niobium 0.8-1.2 cerium 0.01-0.2; nickel - the rest.

("High Temperature Alloys Gas Turbines" "Program Conference Liege" 04-06 October 1982, pp. 369-393.)("High Temperature Alloys Gas Turbines" "Program Conference Liege" 04-06 October 1982, pp. 369-393.)

Однако данный известный сплав при достаточно высокой коррозионной стойкости имеет пониженную жаропрочность и снижение структурной стабильности на ресурс в процессе наработки.However, this known alloy with a sufficiently high corrosion resistance has a reduced heat resistance and a decrease in structural stability per resource during operation.

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

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, Sat. Superalloys 2004, ed. K.A. Green, 2004, pp. 707-712.)

Данный известный сплав имеет высокую жаропрочность, достаточно высокую коррозионную стойкость, но отличается пониженной температурой растворения упрочняющей γ' - фазы и пониженной структурной стабильностью на ресурс - прогнозируется выпадение до 5-6 мас. % σ-фазы и фазы 5 мас. % Ni₃Ti, которые существенно понижают пластичность.This known alloy has high heat resistance, a sufficiently high corrosion resistance, but is characterized by a reduced dissolution temperature of the strengthening γ 'phase and a reduced structural stability on the resource — precipitation is predicted to 5-6 wt. % σ-phase and phase 5 wt. % Ni ₃ Ti, which significantly reduce ductility.

Таким образом, известные сплавы при рабочих температурах 700-1000°С, а также воздействии агрессивной среды не соответствуют требованиям, предъявляемых к литым сопловым лопаткам газотурбинных установок по жаропрочности, сопротивлению коррозии, структурной стабильности на ресурс.Thus, the known alloys at operating temperatures of 700-1000 ° C, as well as exposure to aggressive environments do not meet the requirements for cast nozzle blades of gas turbine plants in terms of heat resistance, corrosion resistance, and structural stability on the resource.

Целью изобретения и его техническим результатом является создание жаропрочного сплава на основе никеля для литья с равноосной и монокристаллической структурами сопловых лопаток газотурбинных установок, обладающего повышенной длительной прочностью при рабочих температурах 700-1000°С в сочетании с высоким сопротивлением усталости, 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 with equiaxed and single-crystal structures of nozzle blades of gas turbine plants, which has increased long-term strength at operating temperatures of 700-1000 ° C in combination with high resistance to fatigue, oxidation and corrosion, and also increased structural stability on the resource and improved technological characteristics.

Технический результат достигается тем, что жаропрочный сплав на основе никеля для литья сопловых лопаток газотурбинных установок включает углерод, хром, кобальт, вольфрам, титан, тантал, алюминий, бор, ниобий, цирконий, иттрий, молибден, гафний, марганец, кремний, железо, медь, серу, фосфор, азот, кислород и никель при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 0,02-0,10; хром 18,3-19,5; кобальт 3,7-4,7; вольфрам 5,8-6,4; титан 3,7-4,3; тантал 1,3-1,7; алюминий 2,8-3,3; бор 0,002-0,020; ниобий 0,15-0,4; цирконий ≤ 0,03; иттрий ≤ 0,03; молибден 0,15-0,35; гафний 0,10-0,20; марганец ≤ 0,03; кремний ≤ 0,3; 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 6,5-7,6 мас. %, а отношение содержания титана к содержанию алюминия ≥ 1,3.The technical result is achieved in that the heat-resistant nickel-based alloy for casting nozzle blades of gas turbine plants includes carbon, chromium, cobalt, tungsten, titanium, tantalum, aluminum, boron, niobium, zirconium, yttrium, molybdenum, hafnium, manganese, silicon, iron, copper, sulfur, phosphorus, nitrogen, oxygen and nickel in the following ratio of components, wt. %: carbon 0.02-0.10; chrome 18.3-19.5; cobalt 3.7-4.7; tungsten 5.8-6.4; titanium 3.7-4.3; tantalum 1.3-1.7; aluminum 2.8-3.3; boron 0.002-0.020; niobium 0.15-0.4; zirconium ≤ 0.03; yttrium ≤ 0.03; molybdenum 0.15-0.35; hafnium 0.10-0.20; manganese ≤ 0.03; silicon ≤ 0.3; 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 6.5-7.6 wt. %, and the ratio of titanium to aluminum content ≥ 1.3.

Количество упрочняющей γ'-фазы (Ni₃Al) в сплаве по изобретению составляет 43-45 ат.%, что обеспечивает высокий и стабильный уровень служебных характеристик, например, жаропрочность за 10³ часов при 900°С:

МПа для равноосной структуры и

МПа для монокристаллической структуры.The amount of hardening γ'-phase (Ni ₃ Al) in the alloy according to the invention is 43-45 at.%, Which provides a high and stable level of service characteristics, for example, heat resistance for 10 ³ hours at 900 ° C:

MPa for equiaxial structure and

MPa for single crystal structure.

Повышенная (по сравнению с прототипом) на ~ 40°С температура полного растворения γ'-фазы препятствует ее коагуляции, что повышает характеристики жаропрочности.Increased (compared with the prototype) by ~ 40 ° C, the temperature of the complete dissolution of the γ'-phase prevents its coagulation, which increases the characteristics of heat resistance.

Введение молибдена в количестве 0,15-0,35 мас. % при оптимальном содержании тантала 1,3-1,7 мас. %, вольфрама 5,8-6,4 мас. % и суммарном содержании алюминия и титана 6,5-7,6 мас. % обеспечивает повышенные характеристики жаропрочности как в равноосном, так и, особенно, в монокристаллическом состоянии. Введение марганца ≤ 0,03 мас. %, кремния ≤ 0,3 мас. % и иттрия ≤ 0,03 мас. %, при отношении содержания титана 3,7-4,3 мас. % к содержанию алюминия 2,8-3,3 мас. % более или равном 1,3 и высокое содержание хрома 18,3-19,5 мас. % приводят к повышенному сопротивлению коррозии.The introduction of molybdenum in an amount of 0.15-0.35 wt. % with an optimal tantalum content of 1.3-1.7 wt. %, tungsten 5.8-6.4 wt. % and the total content of aluminum and titanium 6.5-7.6 wt. % provides enhanced heat resistance characteristics both in equiaxial and, especially, in a single-crystal state. The introduction of manganese ≤ 0.03 wt. %, silicon ≤ 0.3 wt. % and yttrium ≤ 0.03 wt. %, with a ratio of titanium content of 3.7-4.3 wt. % to the aluminum content of 2.8-3.3 wt. % more or equal to 1.3 and a high chromium content of 18.3-19.5 wt. % lead to increased corrosion resistance.

Ограничение содержания железа ≤ 0,5 мас. %, меди ≤ 0,05 мас. %, серы ≤ 0,005 мас. %, фосфора ≤ 0,008 мас. %, азота ≤ 15 ppm и кислорода ≤ 20 ppm в сочетании с формированием карбидов (на основе никеля, титана, ниобия 0,15-0,4 мас. % и дополнительно введенного гафния 0,10-0,20 мас. %) 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.Iron limit ≤ 0.5 wt. %, copper ≤ 0.05 wt. % sulfur ≤ 0.005 wt. %, phosphorus ≤ 0.008 wt. %, nitrogen ≤ 15 ppm and oxygen ≤ 20 ppm in combination with the formation of carbides (based on nickel, titanium, niobium 0.15-0.4 wt.% and additionally introduced hafnium 0.10-0.20 wt.%) s optimal morphology, ensures the elimination of impurity compounds from grain boundaries and increased plastic characteristics and impact strength, and also helps to obtain the optimal equiaxial structure of the alloy.

Получение монокристаллической структуры при ограниченном содержании бора и углерода по сравнению с содержанием в равноосной структуре (углерода ≤ 0,1 мас. % и бора ≤ 0,01 мас. %) обеспечивает повышение термоусталостной прочности лопаток в 3-5 раз по сравнению с равноосной структурой.Obtaining a single-crystal structure with a limited content of boron and carbon compared with the content in the equiaxial structure (carbon ≤ 0.1 wt.% And boron ≤ 0.01 wt.%) Provides an increase in the thermal stability of the blades by 3-5 times in comparison with the equiaxial structure .

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 ее 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 its 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; Компьютерная программа «Расчетная система суперсплавов» №2007612023 ФСИСПТ от 17.05.2007 г.)(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; Computer program "Calculation system of superalloys" No. 2007612023 FSISPT from 05.17.2007)

Из представленных данных, полученных с использованием известных расчетных методик, служебных характеристик жаропрочных сплавов на основе никеля, видно, что сплав по изобретению с равноосной и монокристаллической структурами 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 equiaxial and single crystal structures surpasses known alloys in terms of a set of service characteristics.

При примерно равных показателях сопротивления окислению и коррозионным воздействиям сплав по изобретению с равноосной структурой имеет заметно более высокие по сравнению с прототипом на ~10% для равноосной структуры и на ~19% для монокристаллической структуры показатели жаропрочности, а также более высокую стабильность на ресурс (в нем не прогнозируется выпадение охрупчивающих фаз).With approximately equal indicators of resistance to oxidation and corrosion, the alloy according to the invention with equiaxial structure has noticeably higher compared with the prototype by ~ 10% for equiaxed structure and ~ 19% for single-crystal structure, heat resistance, as well as higher stability on resource (in it does not predict the occurrence of embrittlement phases).

Повышенная жаропрочность и термоусталость в монокристаллическом состоянии сплава приведет к продлению ресурса лопаток.Increased heat resistance and thermal fatigue in the single-crystal state of the alloy will lead to an extension of the resource of the blades.

Достижение поставленного технического результата дает возможность использовать сплав по изобретению для изготовления литьем с равноосной и монокристаллической структурами сопловых лопаток газотурбинных установок с рабочими температурами по металлу 700-1000°С при том, что цена шихтовых материалов дешевле на ~17% по сравнению с прототипом.Achieving the set technical result makes it possible to use the alloy according to the invention for casting with equiaxed and single-crystal structures of nozzle blades of gas turbine units with metal working temperatures of 700-1000 ° C, while the price of charge materials is ~ 17% cheaper compared to the prototype.

Claims

Nickel-based heat-resistant alloy for casting nozzle blades of gas turbine plants containing carbon, chromium, cobalt, tungsten, titanium, tantalum, aluminum, boron, niobium, zirconium, yttrium and nickel, characterized in that it additionally contains molybdenum, hafnium, manganese, silicon, iron, copper, sulfur, phosphorus, nitrogen and oxygen in the following ratio, wt. %: carbon 0.02-0.10; chrome 18.3-19.5; cobalt 3.7-4.7; tungsten 5.8-6.4; titanium 3.7-4.3; tantalum 1.3-1.7; aluminum 2.8-3.3; boron 0.002-0.020; niobium 0.15-0.4; zirconium ≤0.03; yttrium ≤0.03; molybdenum 0.15-0.35; hafnium 0.10-0.20; manganese ≤0.03; silicon ≤0.3; 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 6.5-7.6 wt. %, and the ratio of titanium to aluminum content ≥1.3.