RU2676121C2 - Powdered heat-resistant alloys for producing bimetallic articles and composite disc made of these alloys - Google Patents

Powdered heat-resistant alloys for producing bimetallic articles and composite disc made of these alloys Download PDF

Info

Publication number
RU2676121C2
RU2676121C2 RU2016152038A RU2016152038A RU2676121C2 RU 2676121 C2 RU2676121 C2 RU 2676121C2 RU 2016152038 A RU2016152038 A RU 2016152038A RU 2016152038 A RU2016152038 A RU 2016152038A RU 2676121 C2 RU2676121 C2 RU 2676121C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
nickel
titanium
molybdenum
cobalt
boron
Prior art date
Application number
RU2016152038A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2016152038A3 (en
RU2016152038A (en
Inventor
Геннадий Дмитриевич Ковалёв
Сергей Павлович Авдюхин
Дмитрий Дмитриевич Ваулин
Владимир Платонович Лубенец
Александр Евгеньевич Кульмизев
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Всероссийский институт легких сплавов" (ОАО "ВИЛС")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "Всероссийский институт легких сплавов" (ОАО "ВИЛС") filed Critical Открытое акционерное общество "Всероссийский институт легких сплавов" (ОАО "ВИЛС")
Priority to RU2016152038A priority Critical patent/RU2676121C2/en
Publication of RU2016152038A3 publication Critical patent/RU2016152038A3/ru
Publication of RU2016152038A publication Critical patent/RU2016152038A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2676121C2 publication Critical patent/RU2676121C2/en

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F7/00—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P15/00—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass
    • B23P15/04—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass turbine or like blades from several pieces
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C1/0433—Nickel- or cobalt-based alloys
    • 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)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

FIELD: metallurgy.SUBSTANCE: invention relates to production of highly loaded composite discs with functionally graded properties for gas turbine plants (GTP) and gas turbine engines (GTE) operating under temperature gradient conditions and having mechanical properties changing over section. Powdered high-strength nickel-base alloys are claimed, as well as a composite disc of the gas-turbine plant consisting of a hub and a rim. The hub is made of a nickel-based powder alloy containing, wt %: carbon 0.02-0.04; chromium 11.0-12.2; cobalt 14.0-16.0; tungsten 0.35-0.6; molybdenum 3.7-4.1; aluminium 3.4-3.8; titanium 5.0-5.4; niobium 0.15-0.25; zirconium 0.02-0.04; boron 0.015-0.025; hafnium 0.15-0.25; magnesium 0.0020-0.0075, the rest is nickel having grain size up to 30 microns. The rim is made of a nickel-based powder alloy containing, wt %: carbon 0.02-0.04; chromium 11.0-13.0; cobalt 17.0-19.0; tungsten 1.5-2.6; molybdenum 3.2-3.8; aluminium 3.0-3.5; titanium 4.0-4.5; niobium 0.15-0.25; zirconium 0.02-0.04; boron 0.015-0.03; tantalum 2.3-2.6; hafnium 0.15-0.25; magnesium 0.002-0.0075, the rest is nickel having grain size of up to 150 microns.EFFECT: alloys have reduced density providing long-term and short-term strength, and structural stability of the disc service life in combination with high corrosion resistance.3 cl, 4 tbl

Description

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к изготовлению высоконагруженных составных дисков с функционально градиентными свойствами для газотурбинных установок (ГТУ) и газотурбинных двигателей (ГТД), работающих в условиях градиента температуры и имеющих механические свойства, меняющиеся по сечению.The invention relates to powder metallurgy, in particular to the manufacture of highly loaded composite disks with functionally gradient properties for gas turbine units (GTU) and gas turbine engines (GTE) operating in a temperature gradient and having mechanical properties varying in cross section.

Диски турбин, работающие в условиях градиента температур при воздействии агрессивной среды, должны обладать высокой устойчивостью к упругопластической деформации при воздействии постоянной и переменной нагрузок, меняющихся по сечению диска.Turbine disks operating in a temperature gradient under the influence of an aggressive environment should be highly resistant to elastoplastic deformation when subjected to constant and variable loads varying along the cross section of the disk.

Для обеспечения требуемых эксплуатационных характеристик конструкции дисков ГТУ и ГТД обода и ступицы выполняют составными из жаропрочных порошковых сплавов различного химического и фракционного состава.To ensure the required operational characteristics of the design of the disks of the gas turbine engine and gas turbine engine, the rim and the hub are made of heat-resistant powder alloys of various chemical and fractional composition.

Наиболее близким является составной диск газотурбинного двигателя с функционально градиентными свойствами (ФГС), содержащий ступицу и обод, выполненные из разных порошковых жаропрочных сплавов на основе никеля, при этом ступица диска выполнена из порошкового сплава на основе никеля Rene 104, содержащего углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, тантал, алюминий, титан, ниобий, бор, цирконий, железо и никель, а обод диска выполнен из порошкового сплава на основе никеля Rene 88, содержащего углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, титан, ниобий, бор, цирконий и никель – прототип (US 7537725, B22F 7/00, В23Р 15/04, опубликовано 26.05.2009).The closest is a composite disk of a gas turbine engine with functionally gradient properties (FGS), containing a hub and a rim made of different powder heat-resistant alloys based on nickel, while the hub of the disk is made of a powder alloy based on Rene 104 nickel containing carbon, chromium, cobalt , tungsten, molybdenum, tantalum, aluminum, titanium, niobium, boron, zirconium, iron and nickel, and the disk rim is made of a powder alloy based on Rene 88 nickel containing carbon, chromium, cobalt, tungsten, molybdenum, aluminum, titanium , niobium, boron, zirconium and nickel - prototype (US 7537725, B22F 7/00, B23P 15/04, published May 26, 2009).

Недостатком такого составного диска является его достаточно низкая рабочая температура 680-700°C, обусловленная служебными характеристиками использованных порошковых сплавов. Это связано с тем, что при высокой коррозионной стойкости сплав для ступицы (Rene 104) не обладает достаточной кратковременной прочностью, а сплав для обода (Rene 88) не обладает повышенной жаропрочностью. Кроме того, из-за близких значений температур сольвус

Figure 00000001
(составляет ~20-25°C) возникают большие проблемы с регулированием размера зерна в ободе (достигается только размер ~40 мкм), что не приводит к существенному повышению жаропрочности. Кроме того, повышенные значения плотности сплавов ступицы и обода (на уровне 8,23 т/м3) в стыковой зоне не способствуют повышению надежности и ресурса.The disadvantage of such a composite disk is its rather low operating temperature of 680-700 ° C, due to the service characteristics of the used powder alloys. This is due to the fact that with high corrosion resistance, the alloy for the hub (Rene 104) does not have sufficient short-term strength, and the alloy for the rim (Rene 88) does not have increased heat resistance. In addition, due to close temperatures, solvus
Figure 00000001
(is ~ 20-25 ° C) there are big problems with regulating the grain size in the rim (only ~ 40 microns is achieved), which does not lead to a significant increase in heat resistance. In addition, the increased density of the alloys of the hub and rim (at the level of 8.23 t / m 3 ) in the butt zone does not contribute to increased reliability and resource.

Технология изготовления составных дисков обычно включает засыпку в разделенную цилиндрической вставкой капсулу диска, состоящую из ободной и ступичной частей, гранул двух разных жаропрочных никелевых сплавов, последующее виброуплотнение, удаление цилиндрической вставки, горячее изостатическое прессованием (ГИП) и термообработку (ТО).The manufacturing technology of composite disks usually includes filling a disk capsule divided by a cylindrical insert, consisting of a rim and a hub part, granules of two different heat-resistant nickel alloys, subsequent vibration compaction, removal of the cylindrical insert, hot isostatic pressing (HIP) and heat treatment (TH).

(RU 2536124, B22F 7/02, B23F 3/15, опубликовано 20.12.2014).(RU 2536124, B22F 7/02, B23F 3/15, published December 20, 2014).

Известен порошковый жаропрочный сплав SMO-48 для изготовления диска турбины, который может быть использован для изготовления ступицы составного высоконагруженного диска ФГС, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, титан, ниобий, гафний, бор и никель при следующем соотношении компонентов мас. %: содержащий углерод 0,03; хром 12,3; кобальт 14,9; вольфрам 4,0; молибден 3,6; алюминий 3,2; титан 4,4; ниобий 0,8; гафний 0,3; бор 0,01, никель остальное (таблица 1).The known heat-resistant powder alloy SMO-48 for the manufacture of a turbine disk, which can be used to manufacture the hub of a composite highly loaded FGS disk, containing carbon, chromium, cobalt, tungsten, molybdenum, aluminum, titanium, niobium, hafnium, boron and nickel in the following ratio of components wt. %: containing carbon 0.03; chrome 12.3; cobalt 14.9; tungsten 4.0; molybdenum 3.6; aluminum 3.2; titanium 4.4; niobium 0.8; hafnium 0.3; boron 0.01, nickel the rest (table 1).

[R.C. Reed, K.A. Green, сб. Supperalloys, 2008, p.p. 21-30].[R.C. Reed, K.A. Green Sat Supperalloys, 2008, p.p. 21-30].

Оценка эксплуатационных характеристик сплава SMO-48 показала (таблица 2), что сплав структурно стабилен на ресурс, имеет температуру сольвус

Figure 00000002
, кратковременную прочность 1640 МПа при удовлетворительной коррозионной стойкости. Однако сплав имеет умеренные характеристики жаропрочности и характеризуется наличием эвтектических выделений (~4%), повышенной плотностью (~8,23 т/м), а также низким значением коэффициента термического расширения КТР, что не удовлетворяет требования к ступице высоконагруженных дисков ФГС.Evaluation of the operational characteristics of the SMO-48 alloy showed (Table 2) that the alloy is structurally stable on a resource, has a solvus temperature
Figure 00000002
, short-term strength of 1640 MPa with satisfactory corrosion resistance. However, the alloy has moderate heat resistance characteristics and is characterized by the presence of eutectic precipitates (~ 4%), increased density (~ 8.23 t / m), and also a low coefficient of thermal expansion coefficient KTP, which does not satisfy the requirements for the hub of highly loaded FGS disks.

(Компьютерная программа оценки служебных характеристик по свидетельству №2007612023 от 17.05.2007, аналогичная программе из H.J. Jou; G.B. Olson; сб. Supper-alloys, 2004, pp. 877-886).(A computer program for evaluating performance characteristics according to certificate No. 2007612023 dated 05.17.2007, similar to the program from H.J. Jou; G. B. Olson; Sat. Supper-alloys, 2004, pp. 877-886).

Для ступицы составного диска ГТУ или ГТД с функционально градиентными свойствами (ФГС) наиболее близким по технической сущности является порошковый сплав Rene 104, который, согласно источнику информации, содержит углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, тантал, алюминий, титан, ниобий, бор, цирконий, железо, никель и примеси, при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 0,05; хром 13,0, кобальт от 20,6; вольфрам 2,10; молибден 3,8; тантал 2,4; алюминий 3,4; титан 3,7; ниобий 0,9; цирконий 0,05; бор 0,025; железо до 0,5; никель и примеси остальное (таблица 1).For a hub of a composite disc of a gas turbine engine or gas turbine engine with functionally gradient properties (FGS), the closest in technical essence is Rene 104 powder alloy, which, according to the information source, contains carbon, chromium, cobalt, tungsten, molybdenum, tantalum, aluminum, titanium, niobium, boron, zirconium, iron, nickel and impurities, in the following ratio of components, wt. %: carbon 0.05; chrome 13.0, cobalt from 20.6; tungsten 2.10; molybdenum 3.8; tantalum 2.4; aluminum 3.4; titanium 3.7; niobium 0.9; zirconium 0.05; boron 0.025; iron up to 0.5; nickel and impurities else (table 1).

(US 7537725, B22F 7/00, В23Р 15/04, опубликовано 26.05.2009).(US 7537725, B22F 7/00, B23P 15/04, published 05/26/2009).

Согласно оценке эксплуатационных свойств (таблица 2) указанный сплав имеет температуру сольвус

Figure 00000003
, высокое сопротивление коррозии и достаточно высокий уровень кратковременной и длительной прочности, однако отличается пониженной структурной стабильностью, поскольку в процессе наработки выделяет ~4-5% охрупчивающей σ-фазы, а также содержит до 8-10% неравновесной эвтектической γ'-фазы.According to the evaluation of operational properties (table 2), this alloy has a solvus temperature
Figure 00000003
, high corrosion resistance and a fairly high level of short-term and long-term strength, however, it is characterized by reduced structural stability, since during the operating time it releases ~ 4-5% of the embrittling σ-phase, and also contains up to 8-10% of the nonequilibrium eutectic γ'-phase.

Известен порошковый жаропрочный сплав на основе никеля (сплав RR1000) для изготовления диска турбины, который может быть использован для изготовления обода составного высоконагруженного диска ФГС (таблица 3), содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, тантал, алюминий, титан, гафний, цирконий, бор, железо, кремний, марганец, никель и примеси, при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 0,012-0,033; хром 14,35-15,15; кобальт 14,0-19,0; молибден 4,25-5,25; вольфрам ≤2,0; тантал 1,35-2,15; алюминий 2,85-3,15; титан 3,45-4,15; гафний 0,5-1,0; цирконий 0,05-0,07; бор 0,01-0,025; железо ≤1,0; кремний ≤0,2; марганец ≤0,15, никель и примеси остальное (US 5897718, С22С 19/05, опубликовано 27.04.1999).Known powder heat-resistant alloy based on Nickel (alloy RR1000) for the manufacture of a turbine disk, which can be used for the manufacture of the rim of a composite highly loaded FGS disk (table 3), containing carbon, chromium, cobalt, tungsten, molybdenum, tantalum, aluminum, titanium, hafnium , zirconium, boron, iron, silicon, manganese, nickel and impurities, in the following ratio of components, wt. %: carbon 0.012-0.033; chrome 14.35-15.15; cobalt 14.0-19.0; molybdenum 4.25-5.25; tungsten ≤2.0; tantalum 1.35-2.15; aluminum 2.85-3.15; titanium 3.45-4.15; hafnium 0.5-1.0; zirconium 0.05-0.07; boron 0.01-0.025; iron ≤1.0; silicon ≤0.2; manganese ≤0.15, nickel and impurities the rest (US 5897718, C22C 19/05, published 04/27/1999).

Однако, несмотря на то, что сплав RR1000 залегирован танталом до 2,15 мас. %, он имеет температур сольвус

Figure 00000004
, небольшой объем упрочняющей γ'-фазы (~45 ат. %) и отличается пониженными значениями кратковременной и длительной прочности при удовлетворительной коррозионной стойкости.However, despite the fact that the alloy RR1000 is doped with tantalum to 2.15 wt. %, it has solvus temperatures
Figure 00000004
, a small volume of the strengthening γ'-phase (~ 45 at.%) and is characterized by lower values of short-term and long-term strength with satisfactory corrosion resistance.

Для изготовления обода диска с функционально градиентными свойствами (ФГС) ГТУ или ГТД наиболее близким по технической сущности является порошковый сплав Rene 88 (таблица 3), который, согласно источнику информации, содержит углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, титан, ниобий, бор, цирконий, никель и примеси, при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 0,04; хром 16,0; кобальт от 13,0; вольфрам 4,0; молибден 4,0; алюминий 2,1; титан 3,7; ниобий 0,75; цирконий 0,04; бор 0,02; никель и примеси остальное (US 7537725, B22F 7/00, В23Р 15/04, опубликовано 26.05.2009).For the manufacture of a rim of a disk with functionally gradient properties (FGS) of a gas turbine engine or gas turbine engine, the closest in technical essence is Rene 88 powder alloy (table 3), which, according to the information source, contains carbon, chromium, cobalt, tungsten, molybdenum, aluminum, titanium, niobium, boron, zirconium, nickel and impurities, in the following ratio of components, wt. %: carbon 0.04; chrome 16.0; cobalt from 13.0; tungsten 4.0; molybdenum 4.0; aluminum 2.1; titanium 3.7; niobium 0.75; zirconium 0.04; boron 0.02; nickel and impurities the rest (US 7537725, B22F 7/00, B23P 15/04, published 05/26/2009).

Недостатком известного сплава для изготовления обода диска ФГС при его высокой структурной стабильности и коррозионной стойкости являются повышенная плотность 8,32 т/м3, а также пониженные значения объема упрочняющей γ'-фазы (~38 ат. %), жаропрочности и кратковременной прочности.The disadvantage of the known alloy for the manufacture of the rim of the FGS disk with its high structural stability and corrosion resistance is an increased density of 8.32 t / m 3 , as well as lower values of the volume of the strengthening γ'-phase (~ 38 at.%), Heat resistance and short-term strength.

Целью изобретения и его техническим результатом является разработка составного диска для газотурбинных установок и двигателей с использованием новых порошковых жаропрочных сплавов для ступицы и обода диска с пониженной плотностью, обеспечивающих повышение длительной и кратковременной прочности, а также структурной стабильности на ресурс диска в сочетании с высокой коррозионной стойкостью.The aim of the invention and its technical result is the development of a composite disk for gas turbine plants and engines using new powder heat-resistant alloys for the hub and rim of the disk with low density, providing increased long-term and short-term strength, as well as structural stability on the resource of the disk in combination with high corrosion resistance .

Технический результат достигается тем, что порошковый жаропрочный сплав для изготовления ступицы составного диска содержит углерод, хром, кобальт, молибден, алюминий, титан, ниобий, цирконий, бор, гафний, магний и никель, при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 0,02-0,04; хром 11,0-12,2; кобальт 14,0-16,0; вольфрам 0,35-0,6; молибден 3,7-4,1; алюминий 3,4-3,8; титан 5,0-5,4; ниобий 0,15-0,25; цирконий 0,02-0,04; бор 0,015-0,025; гафний 0,15-0,25; магний 0,0020-0,0075, никель остальное.The technical result is achieved in that the powder heat-resistant alloy for the manufacture of the hub of the composite disk contains carbon, chromium, cobalt, molybdenum, aluminum, titanium, niobium, zirconium, boron, hafnium, magnesium and nickel, in the following ratio of components, wt. %: carbon 0.02-0.04; chrome 11.0-12.2; cobalt 14.0-16.0; tungsten 0.35-0.6; molybdenum 3.7-4.1; aluminum 3.4-3.8; titanium 5.0-5.4; niobium 0.15-0.25; zirconium 0.02-0.04; boron 0.015-0.025; hafnium 0.15-0.25; magnesium 0.0020-0.0075, nickel the rest.

Технический результат также достигается тем, что порошковый жаропрочный сплав для изготовления обода составного диска содержит углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, титан, ниобий, цирконий, бор, тантал, магний и никель при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 0,02-0,04; хром 11,0-13,0; кобальт 17,0-19,0; вольфрам 1,5-2,6; молибден 3,2-3,8; алюминий 3,0-3,5; титан 4,0-4,5; ниобий 0,15-0,25; цирконий 0,02-0,04; бор 0,015-0,03; тантал 2,3-2,6; магний 0,002-0,0075; никель остальное.The technical result is also achieved by the fact that the powder heat-resistant alloy for the manufacture of the rim of the composite disk contains carbon, chromium, cobalt, tungsten, molybdenum, aluminum, titanium, niobium, zirconium, boron, tantalum, magnesium and nickel in the following ratio of components, wt. %: carbon 0.02-0.04; chrome 11.0-13.0; cobalt 17.0-19.0; tungsten 1.5-2.6; molybdenum 3.2-3.8; aluminum 3.0-3.5; titanium 4.0-4.5; niobium 0.15-0.25; zirconium 0.02-0.04; boron 0.015-0.03; tantalum 2.3-2.6; magnesium 0.002-0.0075; nickel rest.

Технический результат также достигается тем, что составной диск содержит ступицу и обод, выполненные из разных порошковых жаропрочных сплавов, причем ступица выполнена из порошкового сплава с размером зерна до 30 мкм, содержащего углерод, хром, кобальт, молибден, алюминий, титан, ниобий, цирконий, бор, гафний, магний и никель, при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 0,02-0,04; хром 11,0-12,2; кобальт 14,0-16,0; вольфрам 0,35-0,6; молибден 3,7-4,1; алюминий 3,4-3,8; титан 5,0-5,4; ниобий 0,15-0,25; цирконий 0,02-0,04; бор 0,015-0,025; гафний 0,15-0,25; магний 0,0020-0,0075, никель остальное, а обод выполнен из сплава с размером зерна до 150 мкм, содержащего углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, титан, ниобий, цирконий, бор, тантал, гафний, магний и никель при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 0,02-0,04; хром 11,0-13,0; кобальт 17,0-19,0; вольфрам 1,5-2,6; молибден 3,2-3,8; алюминий 3,0-3,5; титан 4,0-4,5; ниобий 0,15-0,25; цирконий 0,02-0,04; бор 0,015-0,03; тантал 2,3-2,6; гафний 0,15-0,25 магний 0,002-0,0075; никель остальноеThe technical result is also achieved by the fact that the composite disk contains a hub and a rim made of different heat-resistant powder alloys, the hub being made of a powder alloy with a grain size of up to 30 microns, containing carbon, chromium, cobalt, molybdenum, aluminum, titanium, niobium, zirconium , boron, hafnium, magnesium and nickel, in the following ratio of components, wt. %: carbon 0.02-0.04; chrome 11.0-12.2; cobalt 14.0-16.0; tungsten 0.35-0.6; molybdenum 3.7-4.1; aluminum 3.4-3.8; titanium 5.0-5.4; niobium 0.15-0.25; zirconium 0.02-0.04; boron 0.015-0.025; hafnium 0.15-0.25; magnesium is 0.0020-0.0075, the rest is nickel, and the rim is made of an alloy with a grain size of up to 150 μm containing carbon, chromium, cobalt, tungsten, molybdenum, aluminum, titanium, niobium, zirconium, boron, tantalum, hafnium, magnesium and nickel in the following ratio of components, wt. %: carbon 0.02-0.04; chrome 11.0-13.0; cobalt 17.0-19.0; tungsten 1.5-2.6; molybdenum 3.2-3.8; aluminum 3.0-3.5; titanium 4.0-4.5; niobium 0.15-0.25; zirconium 0.02-0.04; boron 0.015-0.03; tantalum 2.3-2.6; hafnium 0.15-0.25 magnesium 0.002-0.0075; nickel rest

Результаты сравнительной оценки известного составного диска из сплавов Rene 104 и Rene 88 и составного диска из сплавов по изобретению представлены в таблицах 1-4.The results of a comparative evaluation of the known composite disk of alloys Rene 104 and Rene 88 and the composite disk of alloys according to the invention are presented in tables 1-4.

За основу выбора порошковых жаропрочных сплавов для ступицы и обода диска по изобретению был взят принцип большой разницы (не менее ~50°C) температур полного растворения упрочняющей γ'-фазы (температур сольвус

Figure 00000005
), что должно позволить проводить без оплавления технологические нагревы (при ГИП и ТО), а также регулировать размер зерна, размер и объем (по фракциям) упрочняющей γ'-фазы.The principle of a large difference (not less than ~ 50 ° C) of the temperatures of complete dissolution of the strengthening γ'-phase (solvus temperature) was taken as the basis for the selection of powder heat-resistant alloys for the hub and rim of the disk according to the invention
Figure 00000005
), which should allow technological heating to be carried out without reflow (with GUI and TO), as well as regulate the grain size, size and volume (in fractions) of the strengthening γ'-phase.

Для достижения поставленного технического результата для изготовления ступицы диска ФГС был использован порошковый жаропрочный сплав, содержащий, мас. %: углерод 0,02-0,04; хром 11,0-12,2; кобальт 14,0-16,0; вольфрам 0,35-0,6; молибден 3,7-4,1; алюминий 3,4-3,8; титан 5,0-5,4; ниобий 0,15-0,25; цирконий 0,02-0,04; бор 0,015-0,025; гафний 0,15-0,25; магний 0,0020-0,0075, никель остальное.To achieve the technical result for the manufacture of the hub FGS was used powder heat-resistant alloy containing, by weight. %: carbon 0.02-0.04; chrome 11.0-12.2; cobalt 14.0-16.0; tungsten 0.35-0.6; molybdenum 3.7-4.1; aluminum 3.4-3.8; titanium 5.0-5.4; niobium 0.15-0.25; zirconium 0.02-0.04; boron 0.015-0.025; hafnium 0.15-0.25; magnesium 0.0020-0.0075, nickel the rest.

Дополнительное введение гафния и магния в заявленных концентрациях и оптимизация состава путем снижения концентраций компонентов с высокой плотностью позволяет уменьшить массу ступицы за счет снижения плотности сплава, что повышает надежность ее работы, повысить длительную и кратковременную прочность, а также обеспечить сочетание материала ступицы с материалом обода по коэффициенту термического расширения КТР. Сплав ступицы обладает повышенной температурой сольвус

Figure 00000006
, повышенной кратковременной прочностью ~1650 МПа при 20°C и мелким размером зерна (10-20 мкм).The additional introduction of hafnium and magnesium in the declared concentrations and the optimization of the composition by reducing the concentration of components with high density can reduce the mass of the hub by reducing the density of the alloy, which increases the reliability of its operation, increase long-term and short-term strength, as well as provide a combination of the material of the hub with the material of the rim coefficient of thermal expansion of KTP. Hub Alloy Has Increased Solvus Temperature
Figure 00000006
, increased short-term strength of ~ 1650 MPa at 20 ° C and a fine grain size (10-20 μm).

При этом дополнительное легирование гафнием при строгом контроле суммарного содержания алюминия и титана (стабильность γ'-фазы) и суммарном содержании гафния и ниобия от 0,4 до 0,5 мас. % обеспечивает стабильность карбидов и пластичность материала ступицы, высокую стабильность на ресурс и коррозионную стойкость.Moreover, additional doping with hafnium with strict control of the total content of aluminum and titanium (stability of the γ'-phase) and the total content of hafnium and niobium from 0.4 to 0.5 wt. % provides stability of carbides and ductility of the material of the hub, high stability on the resource and corrosion resistance.

При разработке порошкового сплава для обода диска ФГС решается основная задача: обеспечение при пониженных значениях температуры сольвус

Figure 00000007
достижение повышенных значений длительной прочности, структурной стабильности и коррозионной стойкости при возможности регулировать в широких пределах размер зерна (от ~30 до 150 мкм).When developing a powder alloy for the FGS disk rim, the main task is solved: providing solvus at low temperatures
Figure 00000007
the achievement of increased values of long-term strength, structural stability and corrosion resistance, if possible, to control the grain size over a wide range (from ~ 30 to 150 microns).

Для достижения поставленного технического результата для изготовления обода диска ФГС был использован порошковый жаропрочный сплав, содержащий, мас. %: углерод 0,02-0,04; хром 11,0-13,0; кобальт 17,0-19,0; вольфрам 1,5-2,6; молибден 3,2-3,8; алюминий 3,0-3,5; титан 4,0-4,5; ниобий 0,15-0,25; цирконий 0,02-0,04; бор 0,015-0,03; тантал 2,3-2,6; гафний 0,15-0,25; магний 0,002-0,0075; никель остальное.To achieve the technical result for the manufacture of the rim of the disc FGS was used powder heat-resistant alloy containing, by weight. %: carbon 0.02-0.04; chrome 11.0-13.0; cobalt 17.0-19.0; tungsten 1.5-2.6; molybdenum 3.2-3.8; aluminum 3.0-3.5; titanium 4.0-4.5; niobium 0.15-0.25; zirconium 0.02-0.04; boron 0.015-0.03; tantalum 2.3-2.6; hafnium 0.15-0.25; magnesium 0.002-0.0075; nickel rest.

Дополнительное введение тантала, гафния и магния в заявленных концентрациях и оптимизация состава позволяет достигнуть оптимальной массы обода, что повышает надежность его работы, повысить длительную и кратковременную прочность, а также обеспечить сочетание материала ступицы с материалом обода по коэффициенту термического расширения КТР. Сплав в ободе диска ФГС обладает повышенной жаропрочностью (>510 МПа) и размером зерна до 150 мкм. Рост зерна с 20-30 мм до ~100-150 мкм приводит к увеличению времени до разрушения в ~2 раза.The additional introduction of tantalum, hafnium and magnesium in the declared concentrations and optimization of the composition allows to achieve the optimal mass of the rim, which increases the reliability of its operation, increase long-term and short-term strength, as well as provide a combination of the hub material with the rim material by the coefficient of thermal expansion of KTP. The alloy in the rim of the FGS disk has increased heat resistance (> 510 MPa) and grain size up to 150 microns. Grain growth from 20-30 mm to ~ 100-150 microns leads to an increase in the time to destruction by ~ 2 times.

Разница в коэффициентах термического расширения КТР двух сплавов по изобретению в зоне стыка при рабочих температурах не превышает 1-2%. В случае равных объемов по металлу такого диска ФГС его плотность будет составлять ~8,1 т/м3, что существенно ниже, чем у дисков из серийных ПЖС (~8, 23 т/м3). Этот фактор (низкая плотность диска) и повышенные служебные характеристики в разных сечениях должны дать значительный технико-экономический эффект в изделиях.The difference in the thermal expansion coefficients of the CTE of the two alloys according to the invention in the joint zone at operating temperatures does not exceed 1-2%. In the case of equal volumes of metal of such a FGS disk, its density will be ~ 8.1 t / m 3 , which is significantly lower than that of disks from serial PZhS (~ 8, 23 t / m 3 ). This factor (low disk density) and increased service characteristics in different sections should give a significant technical and economic effect in the products.

Оценка служебных характеристик составного диска, содержащего ступицу и обод из порошковых жаропрочных сплавов по изобретению, в котором материал ступицы выполнен с размером зерна до 30 мкм для достижения повышенной кратковременной прочности, а обод выполнен с размером зерна до 150 мкм для достижения повышенной жаропрочности, также показала достижение поставленного технического результата: в зоне стыка материалов ступицы и обода (табл. 4), обеспечены служебные характеристики на уровне требований к материалам ступицы и обода высоконагруженных дисков ФГС на рабочие температуры ~760°C.Evaluation of the performance of a composite disk containing a hub and a rim of powder heat-resistant alloys according to the invention, in which the material of the hub is made with a grain size of up to 30 μm to achieve increased short-term strength, and the rim is made with a grain size of up to 150 μm to achieve increased heat resistance, also showed achievement of the technical result: in the joint zone of the hub and rim materials (Table 4), service characteristics are provided at the level of requirements for the materials of the hub and rim of a high load GOVERNMENTAL FGS drives on operating temperature ~ 760 ° C.

Figure 00000008
Figure 00000008

Figure 00000009
Figure 00000009

Figure 00000010
Figure 00000010

Figure 00000011
Figure 00000011

Claims (3)

1. Порошковый жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, титан, ниобий, цирконий, бор и никель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит гафний и магний при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,02-0,04; хром 11,0-12,2; кобальт 14,0-16,0; вольфрам 0,35-0,6; молибден 3,7-4,1; алюминий 3,4-3,8; титан 5,0-5,4; ниобий 0,15-0,25; цирконий 0,02-0,04; бор 0,015-0,025; гафний 0,15-0,25; магний 0,0020-0,0075, никель - остальное.1. A heat-resistant powder alloy based on nickel, containing carbon, chromium, cobalt, tungsten, molybdenum, aluminum, titanium, niobium, zirconium, boron and nickel, characterized in that it additionally contains hafnium and magnesium in the following ratio of components, wt.% : carbon 0.02-0.04; chrome 11.0-12.2; cobalt 14.0-16.0; tungsten 0.35-0.6; molybdenum 3.7-4.1; aluminum 3.4-3.8; titanium 5.0-5.4; niobium 0.15-0.25; zirconium 0.02-0.04; boron 0.015-0.025; hafnium 0.15-0.25; magnesium 0.0020-0.0075, nickel - the rest. 2. Порошковый жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, титан, ниобий, цирконий, бор и никель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит тантал, гафний и магний при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,02-0,04; хром 11,0-13,0; кобальт 17,0-19,0; вольфрам 1,5-2,6; молибден 3,2-3,8; алюминий 3,0-3,5; титан 4,0-4,5; ниобий 0,15-0,25; цирконий 0,02-0,04; бор 0,015-0,03; тантал 2,3-2,6; гафний 0,15-0,25; магний 0,002-0,0075, никель - остальное.2. A heat-resistant powder alloy based on nickel containing carbon, chromium, cobalt, tungsten, molybdenum, aluminum, titanium, niobium, zirconium, boron and nickel, characterized in that it additionally contains tantalum, hafnium and magnesium in the following ratio of components, wt %: carbon 0.02-0.04; chrome 11.0-13.0; cobalt 17.0-19.0; tungsten 1.5-2.6; molybdenum 3.2-3.8; aluminum 3.0-3.5; titanium 4.0-4.5; niobium 0.15-0.25; zirconium 0.02-0.04; boron 0.015-0.03; tantalum 2.3-2.6; hafnium 0.15-0.25; magnesium 0.002-0.0075, nickel - the rest. 3. Составной диск турбины газотурбинной установки, состоящий из ступицы и обода, отличающийся тем, что ступица выполнена из порошкового сплава на основе никеля, содержащего, мас.%: углерод 0,02-0,04; хром 11,0-12,2; кобальт 14,0-16,0; вольфрам 0,35-0,6; молибден 3,7-4,1; алюминий 3,4-3,8; титан 5,0-5,4; ниобий 0,15-0,25; цирконий 0,02-0,04; бор 0,015-0,025; гафний 0,15-0,25; магний 0,0020-0,0075, никель – остальное, и имеющего размер зерна до 30 мкм, а обод выполнен из порошкового сплава на основе никеля, содержащего, мас.%: углерод 0,02-0,04; хром 11,0-13,0; кобальт 17,0-19,0; вольфрам 1,5-2,6; молибден 3,2-3,8; алюминий 3,0-3,5; титан 4,0-4,5; ниобий 0,15-0,25; цирконий 0,02-0,04; бор 0,015-0,03; тантал 2,3-2,6; гафний 0,15-0,25; магний 0,002-0,0075, никель – остальное, и имеющего размер зерна до 150 мкм.3. The composite disk of the turbine of a gas turbine installation, consisting of a hub and a rim, characterized in that the hub is made of a nickel-based powder alloy containing, wt.%: Carbon 0.02-0.04; chrome 11.0-12.2; cobalt 14.0-16.0; tungsten 0.35-0.6; molybdenum 3.7-4.1; aluminum 3.4-3.8; titanium 5.0-5.4; niobium 0.15-0.25; zirconium 0.02-0.04; boron 0.015-0.025; hafnium 0.15-0.25; magnesium is 0.0020-0.0075, nickel is the rest, and having a grain size of up to 30 microns, and the rim is made of a powder alloy based on nickel, containing, wt.%: carbon 0.02-0.04; chrome 11.0-13.0; cobalt 17.0-19.0; tungsten 1.5-2.6; molybdenum 3.2-3.8; aluminum 3.0-3.5; titanium 4.0-4.5; niobium 0.15-0.25; zirconium 0.02-0.04; boron 0.015-0.03; tantalum 2.3-2.6; hafnium 0.15-0.25; magnesium 0.002-0.0075, nickel - the rest, and having a grain size of up to 150 microns.
RU2016152038A 2016-12-28 2016-12-28 Powdered heat-resistant alloys for producing bimetallic articles and composite disc made of these alloys RU2676121C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016152038A RU2676121C2 (en) 2016-12-28 2016-12-28 Powdered heat-resistant alloys for producing bimetallic articles and composite disc made of these alloys

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016152038A RU2676121C2 (en) 2016-12-28 2016-12-28 Powdered heat-resistant alloys for producing bimetallic articles and composite disc made of these alloys

Publications (3)

Publication Number Publication Date
RU2016152038A3 RU2016152038A3 (en) 2018-06-28
RU2016152038A RU2016152038A (en) 2018-06-28
RU2676121C2 true RU2676121C2 (en) 2018-12-26

Family

ID=62814119

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016152038A RU2676121C2 (en) 2016-12-28 2016-12-28 Powdered heat-resistant alloys for producing bimetallic articles and composite disc made of these alloys

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2676121C2 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2009244C1 (en) * 1992-06-29 1994-03-15 Всероссийский институт легких сплавов Nickel-base alloy
US20060263231A1 (en) * 2005-05-17 2006-11-23 General Electric Company Method for making a compositionally graded gas turbine disk
WO2007047160A2 (en) * 2005-10-11 2007-04-26 Honeywell International Inc. Method of producing multiple microstructure components
RU2433197C2 (en) * 2006-03-31 2011-11-10 Снекма Heat-resistant nickel-based alloy, part manufacturing method, and turbomachine part
RU2516681C1 (en) * 2013-05-24 2014-05-20 Открытое акционерное общество "Всероссийский институт легких сплавов" (ОАО "ВИЛС") Fireproof powdered alloy based on nickel resistant to sulfide corrosion and product made from it

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2009244C1 (en) * 1992-06-29 1994-03-15 Всероссийский институт легких сплавов Nickel-base alloy
US20060263231A1 (en) * 2005-05-17 2006-11-23 General Electric Company Method for making a compositionally graded gas turbine disk
WO2007047160A2 (en) * 2005-10-11 2007-04-26 Honeywell International Inc. Method of producing multiple microstructure components
RU2433197C2 (en) * 2006-03-31 2011-11-10 Снекма Heat-resistant nickel-based alloy, part manufacturing method, and turbomachine part
RU2516681C1 (en) * 2013-05-24 2014-05-20 Открытое акционерное общество "Всероссийский институт легких сплавов" (ОАО "ВИЛС") Fireproof powdered alloy based on nickel resistant to sulfide corrosion and product made from it

Also Published As

Publication number Publication date
RU2016152038A3 (en) 2018-06-28
RU2016152038A (en) 2018-06-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8734716B2 (en) Heat-resistant superalloy
JP5869034B2 (en) Nickel superalloys and parts made from nickel superalloys
WO2010119709A1 (en) Nickel-base single-crystal superalloy and turbine wing using same
JP6476704B2 (en) Nickel base casting alloy and hot forging die
JP5850433B2 (en) Nickel alloy and manufacturing method thereof
JP6733210B2 (en) Ni-based superalloy for hot forging
JP2019534389A (en) Nickel alloy
CA2955322C (en) Ni-based superalloy for hot forging
RU2697674C1 (en) Heat-resistant nickel alloy
RU2676121C2 (en) Powdered heat-resistant alloys for producing bimetallic articles and composite disc made of these alloys
US2469718A (en) Alloys
RU2365657C1 (en) Heat-resistant nickel-base wrought alloy and article made from this alloy
JP5595495B2 (en) Nickel-base superalloy
JP2012046787A (en) Forged alloy for steam turbine and steam turbine rotor using the same
US9580774B2 (en) Creep-resistant, rhenium-free nickel base superalloy
RU2640118C1 (en) Cobalt-based wear-resistant alloy
JP6012454B2 (en) Forged member and steam turbine rotor, steam turbine rotor blade, boiler piping, boiler tube and steam turbine bolt using the same
RU2625192C1 (en) Nickel-based alloy
JP7112317B2 (en) Austenitic steel sintered materials and turbine components
JP6738010B2 (en) Nickel-based alloy with excellent high-temperature strength and high-temperature creep properties
RU2695097C1 (en) Deformable nickel-based heat-resistant alloy
CN106636755A (en) Nickel-based high-temperature alloy and gas turbine engine component
EP3366794B1 (en) Ni-based superalloy
RU2789527C1 (en) Heat resistant nickel-based granular alloy
RU2590792C1 (en) Heat resistant nickel alloy for production of items by method of pellet metallurgy