RU2685455C2 - Литейный никелевый сплав с равноосной структурой - Google Patents

Литейный никелевый сплав с равноосной структурой Download PDF

Info

Publication number
RU2685455C2
RU2685455C2 RU2015153883A RU2015153883A RU2685455C2 RU 2685455 C2 RU2685455 C2 RU 2685455C2 RU 2015153883 A RU2015153883 A RU 2015153883A RU 2015153883 A RU2015153883 A RU 2015153883A RU 2685455 C2 RU2685455 C2 RU 2685455C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
alloy
nickel
equiaxial structure
scandium
alloys
Prior art date
Application number
RU2015153883A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2015153883A (ru
Inventor
Юрий Николаевич Шмотин
Александр Вячеславович Логунов
Игорь Алексеевич Лещенко
Сергей Александрович Заводов
Денис Викторович Данилов
Илья Игоревич Хрящев
Александр Михайлович Михайлов
Михаил Александрович Михайлов
Александр Евгеньевич Семин
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн"
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 "Научно-производственное объединение "Сатурн" filed Critical Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн"
Priority to RU2015153883A priority Critical patent/RU2685455C2/ru
Publication of RU2015153883A publication Critical patent/RU2015153883A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2685455C2 publication Critical patent/RU2685455C2/ru

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C19/00Alloys based on nickel or cobalt
    • C22C19/03Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
    • C22C19/05Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium
    • C22C19/051Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W
    • C22C19/057Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W with the maximum Cr content being less 10%

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Mold Materials And Core Materials (AREA)
  • Refinement Of Pig-Iron, Manufacture Of Cast Iron, And Steel Manufacture Other Than In Revolving Furnaces (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным сплавам на никелевой основе, и может быть использовано для изготовления деталей, применяемых в газотурбинном двигателестроении, например заготовок дисков и других деталей специального назначения. Литейный никелевый сплав с равноосной структурой содержит, мас.%: углерод 0,12-0,20, хром 4,0-8,0, кобальт 10,0-16,0, вольфрам 8,0-12,0, алюминий 4,0-6,0, тантал 6,0-10,0, гафний 0,2-1,0, бор 0,005-0,05, церий 0,001-0,1, иттрий 0,001-0,1, лантан 0,001-0,1, кремний 0,02-0,2, марганец 0,01-0,2, магний 0,01-0,15, скандий 0,0002-0,01, неодим 0,0005-0,01, никель - остальное. Сплав характеризуется высокой жаропрочностью. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

Description

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для изготовления деталей, применяемых в газотурбинном двигателестроении, например, заготовок дисков и других деталей специального назначения.
Развитие газотурбинного двигателестроения в значительной степени связано с применением все более жаропрочных никелевых сплавов для лопаток и дисков газовых турбин. Это в свою очередь требует повышения рабочих температур технологических процессов, связанных с назначением деталей, обладающих высокой работоспособностью. К ним, в частности, относится технология изотермической раскатки, в которой процесс формообразования заготовки осуществляется вращающимся роликами, изготовленными из никелевого жаропрочного сплава, имеющего при высоких температурах (температура деформации) прочность существенно выше, чем прочность деформируемого дискового сплава.
Создание нового поколения дисковых жаропрочных сплавов, предназначенных для работы при более высоких температурах, связано с решением проблемы обеспечения повышенных температур деформации этих сплавов. Это обуславливает необходимость разработки жаропрочных никелевых сплавов с равноосной структурой для вращающихся роликов, обладающих существенно более высокой жаропрочностью по сравнению с используемыми в настоящее время (например, сплав ЖС6У).
Известен жаропрочный никелевый сплав с равноосной структурой для изготовления деталей ГТД (патент РФ №2148100, МПК С22С 19/05, опубл. 27.04.2000 г.), имеющий следующий состав, мас. %:
Figure 00000001
Figure 00000002
один элемент из группы, включающий иттрий Y и скандий Sc 0,002-0,02
один элемент из группы, включающий лантан La и празеодим Pr 0,0008-0,008
Figure 00000003
Сплав имеет наиболее высокий уровень жаропрочности среди материалов своего класса (равноосная структура), а именно: время до разрушения τ при 975°C и нагрузке 20 кгс/мм2 составляет (160-200) час; при 975°C и нагрузке 23 кгс/мм2 - (80-100) час; при 1050°C и нагрузке 11 кгс/мм2 τ составляет (180-220) час. Приведенные показатели указывают на то, что у данного сплава
Figure 00000004
. Это означает, что представленный сплав имеет жаропрочность выше, чем сплав ЖС6У с равноосной структурой
Figure 00000005
, однако, он является недостаточным.
Известен также литейный жаропрочный сплав (патент США №4459160, МПК С22С 19/05, опубл. 10.07.1984 г.) имеющий следующий состав, мас. %:
Figure 00000006
Сплав имеет долговечность до разрушения τ=(70-100) час при температуре 975°C и напряжении 20 кгс/мм2. Это соответствует уровню жаропрочности
Figure 00000007
, что также недостаточно.
Наиболее близким по составу является литейный жаропрочный сплав на никелевой основе (патент РФ, №2439185, МПК С22С 19/05, опубл. 10.01.2012) следующего состава (мас. %):
Figure 00000008
Сплав имеет при отливке методом направленной кристаллизации
Figure 00000009
что является наиболее высоким показателем среди всех безрениевых сплавов. Однако сплав является монокристаллическим и анизотропным, поэтому заявленный уровень жаропрочности обеспечивается только в кристаллографической ориентации [001], в равноосном состоянии этот показатель приблизительно на 15-30% ниже, что является недостаточным.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение уровня жаропрочности литейного никелевого сплава с равноосной структурой при снижении его стоимости.
Указанный технический результат достигается тем, что в литейный никелевый сплав с равноосной структурой, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, алюминий, тантал, церий, иттрий, лантан, кремний, марганец, магний, в отличие от известного дополнительно вводится бор, скандий, неодим и гафний при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Figure 00000010
Figure 00000011
Также данный никелевый сплав может дополнительно содержать молибден в количестве до 4,0 мас. %.
В заявленном сплаве снижено содержание вольфрама до уровня (8,0-12,0) мас. %, поскольку известно, что у сплавов с равноосной структурой максимум жаропрочности наблюдается при более низкой концентрации этого элемента. Увеличено содержание кобальта, который положительно влияет на уровень и величину параметра несоответствия размеров кристаллических решеток γ-γ'-фаз. Повышено содержание углерода, при этом допустимые значения его концентрации (0,12-0,2) мас. % превышают граничные значения этого элемента в прототипе.
Учитывая, что бор является одним из весьма эффективных элементов, с помощью которого успешно осуществляется микролегирование, при этом бор активно совершенствует межфазные и межзеренные границы (последнее особенно важно для сплавов с равноосной структурой), он дополнительно введен в состав нового сплава.
Дополнительно в состав сплава введены скандий и неодим. Введение скандия обусловлено необходимостью повышения жаростойкости, поскольку предполагается, что сплав будет длительно работать при высоких температурах на воздухе, который в этих условиях оказывает заметное негативное влияние на стойкость никелевых сплавов к окислению. Кроме того, этот элемент эффективно связывает серу, фосфор и другие вредные примеси в тугоплавкие мелкодисперсные выделения, которые начинают играть роль дополнительных упрочнителей, то есть скандий одновременно рафинирует сплав и упрочняет его. Также скандий заметно улучшает технологичность сплава, что особенно важно при работе его в условиях изотермической решетки. Дополнительное введение неодима вызвано тем, что он, адсорбируясь на межфазных поверхностях (как это было установлено исследованиями с помощью радиоизотопных методов) оказывает существенное синэргетическое влияние, резко усиливая упрочняющее воздействие лантана La, иттрия Y и церия Се, в результате чего интегральное влияние этих элементов на упрочнение межфазных границ оказывается значительно выше, чем при простом суммировании. Кроме того, неодим эффективно улучшает сопротивление окислению жаропрочных никелевых сплавов, что особенно важно для предполагаемых условий работы нового материала.
Также дополнительно введен в состав сплава гафний. Гафний улучшает процессы распада - твердого раствора при старении, увеличивая количество образующейся упрочняющей γ'-фазы и повышая степень ее дисперсности. Также гафний способствует сфероидизации карбидов, поскольку карбиды на основе HfC образуются при температурах значительно выше температуры солидус. Это обеспечивает их свободный рост в виде сфер и что крайне важно обуславливает их эффективную работу в качестве частиц - упрочнителей.
Испытания нового жаропрочного сплава проводили при температуре 1000°С (наиболее оптимальной при будущей работе отлитых из него заготовок).
С этой целью были выплавлены 3 партии образцов сплава, состав которого указан в таблице 1.
Таблица 1
Химический состав, мас.%
C Cr Co W Mo Al Ta Hf B Zr
0,12-0,16 5-7 13-16 9-12 0-3 4,5-6,0 7-10 0,2-1,0 0,015 0,01
Ce Y Si La Mn Mg Sc Nd Ni
0,02 0,02 0,03 0,2 0,2 0,015 0,005 0,005 Ост.
Оптимальное содержание хрома, алюминия, тантала, кремния и других легирующих элементов базируется на результатах анализа связи состава и свойств около 200 отечественных и зарубежных сплавов и определялось на основе разработанной авторами методологии, изложенной в работах:
«Методические основы автоматизированного проектирования жаропрочных сплавов на никелевой основе», части 1-3. Технология металлов, 2014 г., №5-7, авторы Логунов А.В., Шмотин Ю.Н., Данилов Д.В.; «Жаропрочные никелевые сплавы для лопаток и дисков газовых турбин», автор Логунов А.В., Газотурбинные технологии, 2017 г..
В частности, для сплавов с равноосной структурой:
Figure 00000012
Figure 00000013
здесь содержание Со, Cr, W и др. элементов указано в мас. %.
При этом учитывается, что при повышении концентрации легирующих элементов в Ni γ-матрице свыше 30% из нее выделяются снижающие эксплуатационные характеристики, α- и другие фазы, а при увеличении в γ'-фазе сверх определенного предела концентрации Ti, Hf и Та из не выделяются охрупчивающие фазы на основе Ni3Ti, Ni3Hf, Ni3Ta и их смеси.
Кроме того, оптимальные концентрации легирующих элементов рассчитываются по методу New Phacomp, позволяющему определить критические значения энергии валентных электронов в γ-матрице, превышение которого приводит к образованию охрупчивающих ТПУ-электронных соединений.
В результате оптимальные интервалы легирования сплава предложенного состава, базирующиеся на результатах представленных выше расчетов с одной стороны характеризуется весьма стабильной (γ-γ') структурой, в которой вредные фазовые образования отсутствуют, с другой стороны они обеспечивают наиболее высокий по сравнению с имеющимися в настоящее время комплекс эксплуатационных характеристик.
Испытания на длительную прочность проводили на воздухе. Образцы показали наиболее высокий среди известных сплавов-аналогов уровень жаропрочности
Figure 00000014
198 МПа и 197,5 МПа.
При этом вследствие отсутствия в составе сплава рения и рутения стоимость его шихты соответствует суммарной стоимости легирующих компонентов сплавов, для замены которых он предназначен.
Таким образом, данное изобретение обеспечивает наиболее высокий уровень жаропрочности среди всех известных никелевых сплавов с равноосной структурой, при этом характеризуется сравнительно низкой стоимостью шихты вследствие отсутствия в его составе дорогостоящего и остродефицитного рения, а также рутения.

Claims (3)

1. Литейный никелевый сплав с равноосной структурой, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, алюминий, тантал, церий, иттрий, лантан, кремний, марганец и магний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит бор, скандий, неодим и гафний при следующем соотношении компонентов, мас. %:
углерод 0,12-0,20 хром 4,0-8,0 кобальт 10,0-16,0 вольфрам 8,0-12,0 алюминий 4,0-6,0 тантал 6,0-10,0 гафний 0,2-1,0 бор 0,005-0,05 церий 0,001-0,1 иттрий 0,001-0,1 лантан 0,001-0,1 кремний 0,02-0,2 марганец 0,01-0,2 магний 0,01-0,15 скандий 0,0002-0,01 неодим 0,0005-0,01 никель остальное
2. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит молибден в количестве до 4,0 мас.%.
RU2015153883A 2015-12-15 2015-12-15 Литейный никелевый сплав с равноосной структурой RU2685455C2 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015153883A RU2685455C2 (ru) 2015-12-15 2015-12-15 Литейный никелевый сплав с равноосной структурой

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015153883A RU2685455C2 (ru) 2015-12-15 2015-12-15 Литейный никелевый сплав с равноосной структурой

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2015153883A RU2015153883A (ru) 2017-06-20
RU2685455C2 true RU2685455C2 (ru) 2019-04-18

Family

ID=59068100

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015153883A RU2685455C2 (ru) 2015-12-15 2015-12-15 Литейный никелевый сплав с равноосной структурой

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2685455C2 (ru)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040187973A1 (en) * 2003-03-24 2004-09-30 Noritaka Takahata Nickel base heat resistant cast alloy and turbine wheels made thereof
US20100296962A1 (en) * 2006-10-17 2010-11-25 Siemens Aktiengesellschaft Nickel-base superalloys
RU2012104486A (ru) * 2009-07-09 2013-08-20 Альстом Текнолоджи Лтд. Жаропрочный сплав на основе никеля
JP5413543B1 (ja) * 2012-06-07 2014-02-12 新日鐵住金株式会社 Ni基合金
RU2520934C1 (ru) * 2013-03-15 2014-06-27 Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн" Жаропрочный никелевый сплав, обладающий высоким сопротивлением к сульфидной коррозии в сочетании с высокой жаропрочностью

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040187973A1 (en) * 2003-03-24 2004-09-30 Noritaka Takahata Nickel base heat resistant cast alloy and turbine wheels made thereof
US20100296962A1 (en) * 2006-10-17 2010-11-25 Siemens Aktiengesellschaft Nickel-base superalloys
RU2012104486A (ru) * 2009-07-09 2013-08-20 Альстом Текнолоджи Лтд. Жаропрочный сплав на основе никеля
JP5413543B1 (ja) * 2012-06-07 2014-02-12 新日鐵住金株式会社 Ni基合金
RU2520934C1 (ru) * 2013-03-15 2014-06-27 Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн" Жаропрочный никелевый сплав, обладающий высоким сопротивлением к сульфидной коррозии в сочетании с высокой жаропрочностью

Also Published As

Publication number Publication date
RU2015153883A (ru) 2017-06-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6393993B2 (ja) 高温強度に優れた熱間鍛造可能なNi基超合金
RU2289637C2 (ru) Сплав на основе никеля
JP5278936B2 (ja) 耐熱超合金
CN1078621C (zh) 镍-基超合金
JP2017075403A (ja) ニッケル基耐熱超合金
RU2415959C1 (ru) МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ СУПЕРСПЛАВ НА ОСНОВЕ Ni И СОДЕРЖАЩАЯ ЕГО ЛОПАТКА ТУРБИНЫ
US11718897B2 (en) Precipitation hardenable cobalt-nickel base superalloy and article made therefrom
EP2796578A1 (en) Cast nickel-based superalloy including iron
WO2011062231A1 (ja) 耐熱超合金
JP2009097094A (ja) ニッケル基超合金
RU2295585C2 (ru) Высокопрочный, стойкий к высокотемпературной коррозии и окислению суперсплав на основе никеля и направленно отвержденное изделие из этого суперсплава
EP2942411B1 (en) High strength single crystal nickel based superalloy
JP4579573B2 (ja) ニッケル基合金
JP4972972B2 (ja) Ni基合金
RU2365657C1 (ru) Жаропрочный деформируемый сплав на основе никеля и изделие, выполненное из этого сплава
RU2685455C2 (ru) Литейный никелевый сплав с равноосной структурой
JP2004256840A (ja) 複合強化型Ni基超合金とその製造方法
JP4911753B2 (ja) Ni基超耐熱合金及びそれを用いたガスタービン部品
RU2695097C1 (ru) Деформируемый жаропрочный сплав на основе никеля
KR101842922B1 (ko) 미시메탈이 첨가된 티타늄-알루미늄계 합금
RU2439185C1 (ru) Жаропрочный литейный сплав на основе никеля
RU2571674C1 (ru) Жаропрочный деформируемый сплав на основе никеля и изделие, выполненное из этого сплава
RU2794496C1 (ru) Жаропрочный литейный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него
RU2777099C1 (ru) Жаропрочный свариваемый сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него
RU2790495C1 (ru) Жаропрочный литейный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него

Legal Events

Date Code Title Description
FA92 Acknowledgement of application withdrawn (lack of supplementary materials submitted)

Effective date: 20180531

FZ9A Application not withdrawn (correction of the notice of withdrawal)

Effective date: 20190130