RU2685908C1 - Жаропрочный литейный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него - Google Patents

Жаропрочный литейный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него Download PDF

Info

Publication number
RU2685908C1
RU2685908C1 RU2018133352A RU2018133352A RU2685908C1 RU 2685908 C1 RU2685908 C1 RU 2685908C1 RU 2018133352 A RU2018133352 A RU 2018133352A RU 2018133352 A RU2018133352 A RU 2018133352A RU 2685908 C1 RU2685908 C1 RU 2685908C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
alloy
nickel
resistant
heat
titanium
Prior art date
Application number
RU2018133352A
Other languages
English (en)
Inventor
Евгений Николаевич Каблов
Виктор Васильевич Сидоров
Павел Георгиевич Мин
Вадим Владимирович Крамер
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ")
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 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ")
Priority to RU2018133352A priority Critical patent/RU2685908C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2685908C1 publication Critical patent/RU2685908C1/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
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C30/00Alloys containing less than 50% by weight of each constituent

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Изобретение относится к металлургии, в частности к коррозионно-стойким жаропрочным сплавам на основе никеля для деталей горячего тракта газотурбинных двигателей и установок, длительно работающих в агрессивных средах при температурах 800-1000°С. Жаропрочный литейный сплав на основе никеля содержит, мас.%: углерод 0,10-0,20, хром 21,5-23,5, кобальт 18,0-20,0, титан 3,0-4,5, вольфрам 1,0-3,0, алюминий 1,0-3,0, тантал 0,8-2,5, цирконий до 0,15, бор до 0,020, ниобий 0,5-1,5, лантан до 0,20, барий до 0,10, никель - остальное. Сплав характеризуется высокими значениями длительной прочности, сульфидно-оксидной и хлоридной коррозионной стойкости, а также технологичностью и структурной стабильностью при температуре 850°С. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 7 пр.

Description

Изобретение относится к металлургии, в частности к коррозионностойким жаропрочным сплавам для деталей горячего тракта газотурбинных двигателей и установок, длительно работающих в агрессивных средах при температурах 800-1000°С.
Известен жаропрочный сплав на основе никеля следующего химического состава, масс. %:
хром 15-18
кобальт 8-11
молибден 0,75-2,2
вольфрам 1,8-3,0
ниобий 0,5-2,0
тантал 1-3
алюминий 3-4
углерод 0,1-0,2
титан 3-4
бор 0,01-0,05
цирконий 0,01-0,2
никель остальное
(US 3459545 А, 05.08.1969).
Сплав имеет недостаточно высокие характеристики длительной прочности при рабочих температурах, а также низкую коррозионную стойкость при эксплуатации в агрессивных средах, содержащих примеси серы и хлора.
Известен жаропрочный сплав на основе никеля следующего химического состава, масс. %:
хром 9,5-14
кобальт 7-11
молибден 1,0-2,5
вольфрам 3,0-4,0
тантал 1,0-4,0
ниобий до 1,0
алюминий 3,0-4,0
титан 3,0-5,0
титан и алюминий 6,5-8,0
бор 0,005-0,05
цирконий 0,01-0,25
углерод 0,02-0,25
никель остальное
(US 3619182 А, 09.11.1971).
Сплав имеет достаточно высокие прочностные и пластические характеристики, но отличается пониженной структурной стабильностью при длительной работе (свыше 500 часов), что связано с выпадением в условиях высокотемпературного воздействия охрупчивающих ТПУ-фаз (σ, μ и др.), которые существенно понижают жаропрочные свойства сплава и ограничивают ресурс работы двигателя.
Отрицательное влияние ТПУ-фаз на долговременные высокотемпературные свойства жаропрочного сплава проявляется в том, что эти хрупкие фазы игольчатой морфологии являются концентраторами напряжений, на которых зарождаются микротрещины, ведущие к преждевременному разрушению деталей из данного сплава.
Наиболее близким аналогом является жаропрочный сплав на основе никеля для литья рабочих лопаток газотурбинных установок, содержащий, масс. %:
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
(High Temperature Alloys For Gas Turbines «Program Conference Liege» 04-06 October 1982, pp. 369-393).
Сплав, взятый за прототип, имеет невысокие характеристики длительной прочности, сульфидно-оксидной и хлоридной стойкости при температурах 800-1000°С, а также пониженную структурную стабильность.
Таким образом, известные сплавы при рабочих температурах 800-1000°С не обладают оптимальным сочетанием служебных свойств (длительная прочность, сопротивление высокотемпературной коррозии, структурная стабильность в процессе эксплуатации), а также технологичностью при отливке деталей.
Задачей предложенного изобретения является разработка структурно-стабильного литейного жаропрочного сплава на основе никеля с улучшенными служебными свойствами.
Техническим результатом предложенного изобретения является повышение длительной прочности, сульфидно-оксидной и хлоридной коррозионной стойкости и структурной стабильности сплава при температуре 850°С, а также его технологичности.
Для достижения технического результата предложен литейный жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, титан, вольфрам, алюминий, тантал, цирконий, бор, ниобий, лантан, барий при следующем соотношении компонентов, масс. %:
углерод 0,10-0,20
хром 21,5-23,5
кобальт 18,0-20,0
титан 3,0-4,5
вольфрам 1,0-3,0
алюминий 1,0-3,0
тантал 0,8-2,5
цирконий до 0,15
бор до 0,020
ниобий 0,5-1,5
лантан до 0,20
барий до 0,10
никель остальное.
Предпочтительное суммарное содержание алюминия и титана в сплаве составляет 4,9-6,0 масс. %.
Также предложено изделие, выполненное из данного сплава.
По сравнению со сплавом-прототипом в предлагаемом сплаве вместо церия введен лантан. Лантан обладает наибольшей величиной атомного и ковалентного радиусов среди лантаноидов, благодаря чему он более надежно блокирует вакантные места в кристаллической решетке сплава и тем самым замедляет диффузионные процессы в условиях высокотемпературной ползучести. За счет замедления скорости разупрочнения сплава повышается его длительная прочность и структурная стабильность.
Было установлено, что введение в сплав лантана (вместо церия) более эффективно для понижения скорости высокотемпературной сульфидно-оксидной и хлоридной коррозии за счет ослабления скорости диффузионных потоков ионов серы, хлора и кислорода через поверхность раздела металл-оксидная пленка.
Давление пара лантана при температуре 1600°С почти в 2 раза ниже, чем у церия (0,88 и 1,6 Па соответственно), т.е. в условиях плавки сплава в вакууме лантан будет удаляться из расплава в 2 раза медленнее и тем самым он более продолжительное время будет находиться в расплаве и эффективно положительно влиять на весь комплекс свойств сплава.
Барий, в отличие от других щелочноземельных металлов - кальция и магния, имеет более низкое давление пара при температурах плавки, что позволяет эффективно его использовать для раскисления расплава перед присадкой лантана и тем самым стабилизировать его усвоение.
Таким образом, введение бария и лантана повышает технологичность данного сплава.
Ограничение суммарного содержания алюминия и титана в диапазоне 4,9-6,0 масс. % обеспечивает хорошую свариваемость сплава и дополнительно повышает его жаропрочность за счет формирования необходимого количества упрочняющей γ'-фазы.
Пример осуществления.
В вакуумной индукционной печи ВИАМ2002 было выплавлено пять плавок предлагаемого сплава и одна плавка сплава, взятого за прототип. Масса каждой плавки составляла 10 кг. Все плавки были переплавлены в плавильно-заливочной установке УППФ-У и отлиты блоки с заготовками под образцы с равноосной структурой.
После проведения термической обработки из заготовок были изготовлены образцы для испытаний на длительную прочность, а также образцы для испытаний на сульфидно-оксидную и хлоридную коррозию.
Химические составы образцов сплавов приведены в таблице 1.
Испытания на длительную прочность проводили при температуре 850°С и напряжениях 350 и 220 МПа на базе 50-100 часов и 800-1000 часов соответственно. От каждой плавки было испытано по два образца. Результаты испытаний приведены в таблице 2.
Испытания на коррозию проводили по циклическому режиму. Один цикл испытаний включал:
- нанесение на горячую поверхность образцов солевой корки водного раствора смеси солей 75% Na2SO4+25% NaCl (для сульфидно-оксидной коррозии) или 3,5% водного раствора NaCl (для хлоридной коррозии);
- выдержку образцов при Т=850°С в течение 1 часа в нагревательной печи;
- охлаждение на воздухе.
Общая продолжительность испытаний - 30 циклов.
Оценку стойкости образцов к коррозии проводили по удельному изменению (убыли) массы путем взвешивания образцов через каждые 5 циклов.
На каждый вид испытаний на коррозию было изготовлено по 6 образцов. Усредненные результаты испытаний по 6-и образцам приведены в таблице 2.
Полученные результаты показывают, что долговечность предлагаемого сплава при испытаниях на длительную прочность при повышенных температурах заметно превосходят свойства сплава - прототипа, т.е. предлагаемый сплав отличается более высоким уровнем длительной прочности, при этом соблюдение суммарного содержания алюминия и титана в диапазоне 4,9-6,0 масс. % (примеры 1-5) дополнительно повышает его жаростойкость: время до разрушения при испытании на длительную прочность увеличилось на 5-20 часов при Т=850°С, σ=350 МПа, и на 30-180 часов при Т=850°С, σ=220 МПа.
Предлагаемый сплав обладает высокой коррозионной стойкостью при температуре испытаний 850°С. Как видно из таблицы 2, удельное изменение (убыль) массы образцов как при сульфидно-оксидной, так и при хлоридной коррозии в 1,5-2 раза меньше, чем у сплава-прототипа.
При проведении контроля качества литых деталей из предлагаемого сплава микропористость в них практически отсутствует, что свидетельствует о высокой технологичности сплава.
После проведения испытаний на длительную прочность при температуре 850°С и напряжении 220 МПа на базе 800-1000 часов была исследована микроструктура разрушенных образцов. Металлографический анализ подтвердил отсутствие охрупчивающих ТПУ-фаз (σ, μ и др.), что свидетельствует о высокой фазовой и структурной стабильности предлагаемого сплава.
Таким образом, предлагаемый сплав существенно превосходит известный сплав по длительной прочности, а также по высокотемпературной коррозионной стойкости. Сплав обладает структурно-фазовой стабильностью при эксплуатации, что позволяет повысить ресурс работы и надежность изделий газотурбинных двигателей и установок, длительно работающих в агрессивных средах при повышенных температурах и напряжениях.
Figure 00000001
* элементы в сплаве присутствуют, но в меньшем количестве, нежели предел чувствительности метода определения концентрации компонентов (менее 0,00005 масс. %)
Figure 00000002

Claims (4)

1. Жаропрочный литейный сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, титан, вольфрам, алюминий, тантал, цирконий, бор и ниобий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит лантан и барий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод 0,10-0,20 хром 21,5-23,5 кобальт 18,0-20,0 титан 3,0-4,5 вольфрам 1,0-3,0 алюминий 1,0-3,0 тантал 0,8-2,5 цирконий до 0,15 бор до 0,020 ниобий 0,5-1,5 лантан до 0,20 барий до 0,10 никель остальное
2. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что суммарное содержание алюминия и титана составляет 4,9-6,0 мас.%.
3. Изделие из жаропрочного литейного сплава на основе никеля, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п. 1.
RU2018133352A 2018-09-20 2018-09-20 Жаропрочный литейный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него RU2685908C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018133352A RU2685908C1 (ru) 2018-09-20 2018-09-20 Жаропрочный литейный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018133352A RU2685908C1 (ru) 2018-09-20 2018-09-20 Жаропрочный литейный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2685908C1 true RU2685908C1 (ru) 2019-04-23

Family

ID=66314631

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018133352A RU2685908C1 (ru) 2018-09-20 2018-09-20 Жаропрочный литейный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2685908C1 (ru)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2164959C1 (ru) * 1999-08-09 2001-04-10 Государственное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" Жаропрочный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из этого сплава
JP2009013450A (ja) * 2007-07-03 2009-01-22 Hitachi Ltd Ni基合金
JP5413543B1 (ja) * 2012-06-07 2014-02-12 新日鐵住金株式会社 Ni基合金
US20170002449A1 (en) * 2014-03-14 2017-01-05 Aubert & Duval Precipitation hardening nickel-base alloy, part made of said alloy, and manufacturing method thereof
EP2206796B1 (en) * 2008-12-25 2017-11-15 Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation Austenitic heat resistant alloy
RU2637844C1 (ru) * 2017-03-27 2017-12-07 Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения" (АО "НПО "ЦНИИТМАШ") Жаропрочный сплав на основе никеля для изготовления деталей котлов и паровых турбин, работающих при ультрасверхкритических параметрах пара

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2164959C1 (ru) * 1999-08-09 2001-04-10 Государственное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" Жаропрочный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из этого сплава
JP2009013450A (ja) * 2007-07-03 2009-01-22 Hitachi Ltd Ni基合金
EP2206796B1 (en) * 2008-12-25 2017-11-15 Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation Austenitic heat resistant alloy
JP5413543B1 (ja) * 2012-06-07 2014-02-12 新日鐵住金株式会社 Ni基合金
US20170002449A1 (en) * 2014-03-14 2017-01-05 Aubert & Duval Precipitation hardening nickel-base alloy, part made of said alloy, and manufacturing method thereof
RU2637844C1 (ru) * 2017-03-27 2017-12-07 Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения" (АО "НПО "ЦНИИТМАШ") Жаропрочный сплав на основе никеля для изготовления деталей котлов и паровых турбин, работающих при ультрасверхкритических параметрах пара

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5663530B2 (ja) タービンブレード及びベーン用途向けのレニウムを含まない単結晶超合金
US5516381A (en) Rotating blade or stationary vane of a gas turbine
BR112016011895B1 (pt) Liga forjável de níquel-cromo-cobalto-titânio-alumínio endurecedora, eseus usos
KR970003639B1 (ko) 내황화/산화성합금
KR20090115925A (ko) 니켈계 합금
BR112019021654A2 (pt) Superliga à base de cobalto-níquel endurecível por precipitação e artigo fabricado a partir da superliga à base de cobalto-níquel endurecível por precipitação
BR112016012102B1 (pt) liga forjável de níquel-cromo-titânio-alumínio endurecedora
TWI624549B (zh) 高強度單晶超合金
GB2427617A (en) A nickel based superalloy
RU2685908C1 (ru) Жаропрочный литейный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него
RU2690623C1 (ru) Жаропрочный литейный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него
RU2672463C1 (ru) Жаропрочный литейный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него
JP3912815B2 (ja) 耐高温硫化腐食性Ni基合金
WO2000034540A9 (en) Alloys for high temperature service in aggressive environments
RU2684000C1 (ru) Жаропрочный литейный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него
US9150944B2 (en) Low sulfur nickel-base single crystal superalloy with PPM additions of lanthanum and yttrium
RU2674274C1 (ru) Жаропрочный литейный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него
RU2655483C1 (ru) Жаропрочный литейный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него
RU2581337C1 (ru) Жаропрочный сплав на основе никеля для литья деталей горячего тракта газотурбинных установок, имеющих равноосную структуру
RU2685895C1 (ru) Жаропрочный литейный сплав на основе кобальта и изделие, выполненное из него
RU2794497C1 (ru) Жаропрочный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него
RU2656908C1 (ru) Жаропрочный литейный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него
CN106636755A (zh) 一种镍基高温合金和燃气涡轮发动机部件
RU2402624C1 (ru) Жаропрочный сплав на основе никеля
RU2790495C1 (ru) Жаропрочный литейный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него