RU2765297C1 - Nickel granular heat-resistant alloy for gas turbine disks - Google Patents
Nickel granular heat-resistant alloy for gas turbine disks Download PDFInfo
- Publication number
- RU2765297C1 RU2765297C1 RU2021104915A RU2021104915A RU2765297C1 RU 2765297 C1 RU2765297 C1 RU 2765297C1 RU 2021104915 A RU2021104915 A RU 2021104915A RU 2021104915 A RU2021104915 A RU 2021104915A RU 2765297 C1 RU2765297 C1 RU 2765297C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- alloy
- nickel
- metallurgy
- heat
- gas turbine
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- 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
- C22C19/057—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W with the maximum Cr content being less 10%
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C30/00—Alloys containing less than 50% by weight of each constituent
Abstract
Description
Изобретение относится к области металлургии, в частности к жаропрочным никелевым сплавам, получаемых методами гранульной металлургии и предназначенных для дисков газовых турбин и других ответственных деталей ГТД и ГТУ, работающих в условиях воздействия повышенных температур, силовых нагрузок и термических напряжений. Сплав отличают высокие значения длительной, кратковременной прочности и пластичности в широком интервале температур от 20 до 850°С.The invention relates to the field of metallurgy, in particular to heat-resistant nickel alloys obtained by granular metallurgy and intended for gas turbine disks and other critical parts of gas turbine engines and gas turbines operating under conditions of elevated temperatures, power loads and thermal stresses. The alloy is distinguished by high values of long-term, short-term strength and ductility in a wide temperature range from 20 to 850°C.
Известны жаропрочные никелевые сплавы для производства дисков газовых турбин. В частности, в патенте РФ №2590792 (опубл. бюлл. №19, 2016 г.) предложен жаропрочный никелевый сплав для дисков газотурбинных двигателей и установок, получаемым методом металлургии гранул и предназначенный для работы в области высоких температур. Сплав содержит в своем составе углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, алюминий, ниобий, гафний, бор, цирконий, магний, церий и никель при следующем соотношении компонентов (мас. %):Known high-temperature nickel alloys for the production of disks of gas turbines. In particular, RF patent No. 2590792 (publ. bull. No. 19, 2016) proposes a heat-resistant nickel alloy for disks of gas turbine engines and installations, obtained by the method of granule metallurgy and intended for operation at high temperatures. The alloy contains carbon, chromium, cobalt, tungsten, molybdenum, titanium, aluminum, niobium, hafnium, boron, zirconium, magnesium, cerium and nickel in its composition in the following ratio of components (wt.%):
углерод - 0,03-0,08carbon - 0.03-0.08
хром - 9,0-11,0chromium - 9.0-11.0
кобальт - 14,0-16,0cobalt - 14.0-16.0
вольфрам - 5,5-6,5tungsten - 5.5-6.5
молибден - 3,2-3,8molybdenum - 3.2-3.8
титан - 3,8-4,2titanium - 3.8-4.2
алюминий - 3,4-4,2aluminum - 3.4-4.2
ниобий - 1,5-2,2niobium - 1.5-2.2
гафний - 0,2-0,4hafnium - 0.2-0.4
бор - 0,005-0,055boron - 0.005-0.055
цирконий-0,001-0,055zirconium-0.001-0.055
магний - 0,01-0,06magnesium - 0.01-0.06
церий - 0,001-0,055cerium - 0.001-0.055
никель - остальное.nickel - the rest.
Для сплава характерной является высокая рабочая температура (750°С), однако уровень его свойств при комнатной и рабочих температурах не является достаточным. В частности этого сплава равна (1540-1620) МПа, а составляет величину (1108-1120) МПа, что не всегда отвечает современным требованиям к дисковым материалам этого класса.The alloy is characterized by a high operating temperature (750°C), but the level of its properties at room and operating temperatures is not sufficient. In particular this alloy is equal to (1540-1620) MPa, and is (1108-1120) MPa, which does not always meet modern requirements for disk materials of this class.
Известен высокотемпературный гранульный жаропрочный никелевый сплав для дисков газовых турбин следующего химического состава (мас. %), опубликованный в патенте РФ №2623540 (бюлл. изобр. №18, 2017 г.):Known high-temperature granular heat-resistant nickel alloy for disks of gas turbines of the following chemical composition (wt.%), published in the patent of the Russian Federation No.
углерод - 0,08-0,15carbon - 0.08-0.15
хром - 10,5-15,5chromium - 10.5-15.5
кобальт - 14,0-16,0cobalt - 14.0-16.0
вольфрам - 4,0-6,0tungsten - 4.0-6.0
молибден - 2,6-3,6molybdenum - 2.6-3.6
титан - 2,5-3,5titanium - 2.5-3.5
алюминий - 3,6-4,6aluminum - 3.6-4.6
ниобий - 3,0-4,0niobium - 3.0-4.0
тантал - 0,1-1,3tantalum - 0.1-1.3
гафний - 0,05-0,2hafnium - 0.05-0.2
ванадий - 0,1-0,5vanadium - 0.1-0.5
бор - 0,005-0,05boron - 0.005-0.05
цирконий - 0,001-0,05zirconium - 0.001-0.05
церий - 0,001-0,05cerium - 0.001-0.05
скандий - 0,01-0,1scandium - 0.01-0.1
магний - 0,001-0,05magnesium - 0.001-0.05
никель - остальное.nickel - the rest.
Дополнительным требованием к составу этого сплава является условие в мас. %.An additional requirement for the composition of this alloy is the condition in wt. %.
Сплав имеет высокие прочность, жаропрочность и сопротивление усталости. В частности, время его разрушения при 650°С и нагрузке 1118 МПа составляет (152-265) час. Однако кратковременная прочность при комнатных температурах остается на уровне (1590-1620) МПа.The alloy has high strength, heat resistance and fatigue resistance. In particular, the time of its destruction at 650°C and a load of 1118 MPa is (152-265) hours. However, short-term strength at room temperature remains at the level of (1590-1620) MPa.
В настоящее время в мире ведутся активные исследования по созданию жаропрочных никелевых сплавов для дисков газовых турбин, имеющих высокую (более 1650 МПа) прочность при комнатных температурах и при этом способных надежно работать при температурах до (830-850)°С, что соответствует критерию Currently, active research is being carried out in the world to create heat-resistant nickel alloys for gas turbine disks, which have high (more than 1650 MPa) strength at room temperatures and, at the same time, are capable of operating reliably at temperatures up to (830-850) ° C, which corresponds to the criterion
В частности, в патенте USA №6468368 (2002 г.) указывается о разработке порошкового дискового сплава МЕ3 (Rene 104), имеющего и а в US Pat. №6974508 (2005 г.) фирма GE сообщает о создании перспективного сплава LSHR, обладающего МПа и для работы при температурах до 815°С. При этой температуре и нагрузке 345 МПа его удлинение 0,2% достигается за 50…300 час.In particular, US Pat. No. 6,468,368 (2002) indicates the development of a ME3 (Rene 104) powder disk alloy having and and in US Pat. No. 6974508 (2005), GE announces the creation of a promising LSHR alloy with MPa and for operation at temperatures up to 815°С. At this temperature and a load of 345 MPa, its elongation of 0.2% is achieved in 50 ... 300 hours.
Сплав LSHR действительно обеспечивает высокий комплекс прочностных характеристик, однако его параметр оцененный по среднему составу и характеризующий по принятому в мировой практике методу оптимизации химического состава сплавов New Phacomp суммарный уровень энергии валентных электронов в γ-фазе, который с целью обеспечения в их структуре условий отсутствия ТПУ-фаз должен быть менее 0,93, на самом деле имеет величину, близкую к 0,942. Это означает, что в данном сплаве возможным является образование охрупчивающих σ-, μ-, η- и других ТПУ-соединений. Кроме того, сплав имеет не очень высокую (исходя из современных представлений) температуру сольвус - его равна 1170°С.The LSHR alloy indeed provides a high complex of strength characteristics, however, its parameter estimated by the average composition and characterizing the total energy level of valence electrons in the γ-phase, which should be less than 0.93 in order to ensure the conditions for the absence of TPU-phases in their structure, in fact has a value close to 0.942. This means that the formation of embrittling σ-, μ-, η- and other TPU compounds is possible in this alloy. In addition, the alloy has a not very high (according to modern concepts) solvus temperature - its equal to 1170°C.
В дальнейшем фирма GE, улучшая этот сплав, получила патент на новый материал (US Pat. №2010/0303666, публ. 02.12.2010 г.) следующего состава (мас. %):Subsequently, GE, improving this alloy, received a patent for a new material (US Pat. No. 2010/0303666, published on December 2, 2010) of the following composition (wt.%):
кобальт - 18,0-30,0cobalt - 18.0-30.0
хром - 11,4-16,0chromium - 11.4-16.0
тантал - до 6,0tantalum - up to 6.0
алюминий - 2,5-3,5aluminum - 2.5-3.5
титан - 2,5-4,0titanium - 2.5-4.0
молибден - 5,5-7,0molybdenum - 5.5-7.0
ниобий - до 2,0niobium - up to 2.0
гафний - до 2,0hafnium - up to 2.0
углерод - 0,04-0,2carbon - 0.04-0.2
бор - 0,01-0,05boron - 0.01-0.05
цирконий - 0,03-0,09zirconium - 0.03-0.09
никель - остальное.nickel - the rest.
При этом соблюдается условие: и Для сплавов, показавших наиболее высокие результаты: In this case, the following condition is met: and For alloys that have shown the highest results:
Особенностью данного сплава является то, что в нем сохранен высокий уровень прочности при комнатных температурах (его МПа), но заметно улучшены прочностные характеристики при высоких температурах. В частности достигла значений ≈ 693 МПа (средний состав) вместо 679 МПа (для сплава LSHR).A feature of this alloy is that it retains a high level of strength at room temperatures (its MPa), but the strength characteristics at high temperatures are noticeably improved. In particular reached values of ≈ 693 MPa (medium composition) instead of 679 MPa (for the LSHR alloy).
Однако состав этого сплава не гарантирует полное отсутствие охрупчивающих ТПУ-выделений, т.к. его находится на уровне (0,927-0,932). Отметим: современные исследования показывают, что гарантированное отсутствие явления образования ТПУ-фаз для сплавов указанного сложного состава обеспечивается при However, the composition of this alloy does not guarantee the complete absence of embrittling TPU precipitates, since. his is at the level (0.927-0.932). It should be noted that modern studies show that the guaranteed absence of the phenomenon of the formation of TPU phases for alloys of the indicated complex composition is ensured at
Известен порошковый жаропрочный никелевый сплав для дисков газовых турбин (Pat. USA №02014/0205449, опубл. 24.07.2017 г. фирма GE) следующего состава (мас. %):Known powder heat-resistant nickel alloy for gas turbine disks (Pat. USA No. 02014/0205449, publ. 07/24/2017, GE) of the following composition (wt.%):
кобальт - 16,0-30,0cobalt - 16.0-30.0
хром - 9,5-12,5chromium - 9.5-12.5
тантал - 4,5-6,0tantalum - 4.5-6.0
алюминий - 2,0-4,0aluminum - 2.0-4.0
титан - 2,0-3,4titanium - 2.0-3.4
вольфрам - 3,0-6,0tungsten - 3.0-6.0
молибден - 1,0-4,0molybdenum - 1.0-4.0
ниобий - 1,5-3,5niobium - 1.5-3.5
гафний - до 1,0hafnium - up to 1.0
углерод - 0,02-0,2carbon - 0.02-0.2
бор - 0,01-0,05boron - 0.01-0.05
цирконий - 0,02-0,1zirconium - 0.02-0.1
никель - остальное.nickel - the rest.
При этом сумма (W+Nb-Cr) должна быть меньше - 6. Сплав имеет длительность до достижения удлинения 0,2% при 705°С и нагрузке 690 МПа порядка 1000 час.In this case, the sum (W + Nb-Cr) should be less than - 6. The alloy has a duration until reaching an elongation of 0.2% at 705 ° C and a load of 690 MPa of the order of 1000 hours.
Его отличает высокий уровень прочности при 20°С а высокотемпературная длительная прочность выросла до (730-750) МПа.It features a high level of strength at 20°C and high temperature long-term strength increased to (730-750) MPa.
Недостатком сплава является большой удельный вес (≈8,55 г/см3), а также высокий коэффициент равный (0,924-0,929), что не гарантирует отсутствие в структуре охрупчивающих ТПУ-выделений. Последний фактор является особо важным именно для дисков, работающих на весьма высоких оборотах, с большими нагрузками и при этом конструктивно имеющих заметное количество концентраторов напряжений. Кроме того для перспективных ГТД желательно иметь более высокий уровень прочностных характеристик при (750-850)°С.The disadvantage of the alloy is a large specific gravity (≈8.55 g/cm 3 ), as well as a high coefficient equal to (0.924-0.929), which does not guarantee the absence of embrittling TPU precipitates in the structure. The last factor is especially important for disks operating at very high speeds, with heavy loads and, at the same time, structurally having a noticeable number of stress concentrators. In addition, for advanced gas turbine engines, it is desirable to have a higher level of strength characteristics at (750-850)°C.
Известен жаропрочный никелевый сплав для дисков ГТД, получаемый по технологии (литье + деформация), имеющий в соответствии с патентом РФ №02695097 (опубл. 19.07.2019 г., балл. №20) следующий химический состав (мас. %):Known is a heat-resistant nickel alloy for GTE disks, obtained by technology (casting + deformation), having the following chemical composition (wt.%) in accordance with the patent of the Russian Federation No.
углерод - 0,03-0,12carbon - 0.03-0.12
хром - 7,0-10,0chromium - 7.0-10.0
кобальт - 16,0-28,0cobalt - 16.0-28.0
вольфрам - 2,5-6,0tungsten - 2.5-6.0
молибден - 2,8-4,8molybdenum - 2.8-4.8
титан - 2,5-5,4titanium - 2.5-5.4
алюминий - 3,2-4,6aluminum - 3.2-4.6
ниобий - 0,5-3,0niobium - 0.5-3.0
тантал - 2,6-4,6tantalum - 2.6-4.6
гафний - 0,05-0,2hafnium - 0.05-0.2
рений - 1,0-3,0rhenium - 1.0-3.0
бор - 0,005-0,015boron - 0.005-0.015
цирконий - 0,005-0,03zirconium - 0.005-0.03
церий - 0,01-0,05cerium - 0.01-0.05
лантан - 0,01-0,05lanthanum - 0.01-0.05
иттрий - 0,01-0,05yttrium - 0.01-0.05
магний - 0,01-0,06magnesium - 0.01-0.06
никель - остальное.nickel - the rest.
При этом должны выполняться следующие условия: In this case, the following conditions must be met:
При этом сплав имеет Сплав отвечает современным требованиям для материала дисков газовых турбин. Однако желательным является дальнейшее улучшение его прочностных характеристик как при комнатной, так и при высоких (750°С) температурах.In this case, the alloy has The alloy meets modern requirements for the material of gas turbine disks. However, it is desirable to further improve its strength characteristics both at room and high (750°C) temperatures.
Кроме того, чтобы обеспечить гарантированное отсутствие охрупчивающих ТПУ-выделений, необходимо ввести дополнительное условие, позволяющее предотвратить распад γ-матрицы и выделение из нее σ-, μ-, η- и других вредных электронных соединений.In addition, to ensure the guaranteed absence of embrittling TPU precipitates, it is necessary to introduce an additional condition to prevent the decay of the γ-matrix and the release of σ-, μ-, η- and other harmful electronic compounds from it.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по составу и назначению (прототипом) является гранулируемый высокожаропрочный никелевый сплав, предназначенный для изготовления дисков и других высоконагруженных деталей роторов турбин (патент РФ №2697674, опубл. 16.08.2019 г., бюлл. №23), имеющий следующий (мас. %) химический состав:The closest to the proposed invention in composition and purpose (prototype) is a granulated high-temperature nickel alloy intended for the manufacture of disks and other highly loaded parts of turbine rotors (RF patent No. 2697674, publ. 08.16.2019, bull. No. 23), having the following (wt.%) chemical composition:
углерод - 0,03-0,12carbon - 0.03-0.12
хром - 7,0-9,0chromium - 7.0-9.0
кобальт - 17,0-22,0cobalt - 17.0-22.0
вольфрам - 1,0-2,4tungsten - 1.0-2.4
молибден - 2,8-4,8molybdenum - 2.8-4.8
титан - 2,5-4,5titanium - 2.5-4.5
алюминий - 3,2-4,6aluminum - 3.2-4.6
ниобий - 0,5-2,9niobium - 0.5-2.9
тантал - 4,7-6,0tantalum - 4.7-6.0
гафний - 0,3-0,5hafnium - 0.3-0.5
рений - 1,0-3,0rhenium - 1.0-3.0
бор - 0,005-0,015boron - 0.005-0.015
цирконий - 0,005-0,03zirconium - 0.005-0.03
церий - 0,01-0,05cerium - 0.01-0.05
лантан - 0,01-0,05lanthanum - 0.01-0.05
иттрий - 0,01-0,05yttrium - 0.01-0.05
магний - 0,01-0,06magnesium - 0.01-0.06
марганец - 0,05-0,5manganese - 0.05-0.5
кремний - 0,05-0,5silicon - 0.05-0.5
никель - остальное.nickel - the rest.
Сплав при удельном весе (8,47-8,48) г/см3 имеет высокие прочностные характеристики Вместе с тем достигнутый уровень свойств не является достаточным. Необходимо дальнейшее улучшение прочностных показателей как при комнатной, так и повышенных температурах. Кроме того, актуальной остается задача введения условий, обеспечивающих отсутствие распада как основной упрочняющей γ'-фазы и выделения из нее охрупчивающих δ-, β- и других фаз, а также γ-матрицы и образования электронных σ-, μ-, η- и т.д. соединений.An alloy with a specific weight of (8.47-8.48) g / cm 3 has high strength characteristics However, the achieved level of properties is not sufficient. It is necessary to further improve the strength characteristics both at room and elevated temperatures. In addition, the problem of introducing conditions that ensure the absence of decomposition as the main strengthening γ'-phase and the separation of embrittling δ-, β- and other phases from it, as well as the γ-matrix and the formation of electronic σ-, μ-, η- and etc. connections.
Техническим результатом, на который направлено предлагаемое изобретение, является обеспечение высокого уровня кратковременной и длительной прочности жаропрочного никелевого сплава, получаемого методом металлургии гранул, в интервале рабочих температур от 20°С до 850°С.The technical result to which the present invention is directed is to provide a high level of short-term and long-term strength of a heat-resistant nickel alloy obtained by granule metallurgy in the operating temperature range from 20°C to 850°C.
Указанный технический результат достигается тем, что известный жаропрочный никелевый сплав, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, алюминий, ниобий, тантал, гафний, рений, бор, цирконий, церий, магний, лантан, иттрий, железо дополнительно содержит ванадий и скандий. При этом из состава сплава исключены марганец и кремний. Суммарное содержание (La+Ce+Sc) должно находиться на уровне (0,06-0,1) мас. %, а суммарная концентрация (Zr+Hf) равна (0,25-0,33) мас. %.This technical result is achieved in that the well-known heat-resistant nickel alloy containing carbon, chromium, cobalt, tungsten, molybdenum, titanium, aluminum, niobium, tantalum, hafnium, rhenium, boron, zirconium, cerium, magnesium, lanthanum, yttrium, iron additionally contains vanadium and scandium. In this case, manganese and silicon are excluded from the composition of the alloy. The total content of (La+Ce+Sc) should be at the level of (0.06-0.1) wt. %, and the total concentration (Zr+Hf) is equal to (0.25-0.33) wt. %.
Сплав согласно настоящему изобретению имеет состав при следующем соотношении легирующих компонентов (мас. %).The alloy according to the present invention has a composition with the following ratio of alloying components (wt.%).
углерод - 0,06-0,15carbon - 0.06-0.15
хром - 4,0-8,0chromium - 4.0-8.0
кобальт - 14,0-20,0cobalt - 14.0-20.0
вольфрам - 1,5-4,0tungsten - 1.5-4.0
молибден - 2,0-5,0molybdenum - 2.0-5.0
титан - 2,0-5,0titanium - 2.0-5.0
алюминий - 3,0-5,0aluminum - 3.0-5.0
ниобий - 1,5-3,5niobium - 1.5-3.5
тантал - 4,0-7,0tantalum - 4.0-7.0
рений - 0,5-2,5rhenium - 0.5-2.5
гафний - 0,05-0,3hafnium - 0.05-0.3
бор - 0,01-0,03boron - 0.01-0.03
ванадий - 0,1-0,5vanadium - 0.1-0.5
цирконий - 0,01-0,03zirconium - 0.01-0.03
церий - 0,01-0,05cerium - 0.01-0.05
лантан - 0,01-0,05lanthanum - 0.01-0.05
иттрий - 0,01-0,05yttrium - 0.01-0.05
скандий - 0,01-0,05scandium - 0.01-0.05
железо - 0-0,01iron - 0-0.01
магний - 0,01-0,06magnesium - 0.01-0.06
никель - остальноеnickel - the rest
При этом должны выполняться условия:In this case, the following conditions must be met:
Поскольку необходимо в максимально возможной степени реализовать критерии, обеспечивающие повышение прочностных характеристик в интервале температур от комнатной до (800-850)°С путем оптимального легирования и при этом получить термостабильную (без распада основной упрочняющей γ'-фазы, а также γ-матрицы с выделением охрупчивающих ТПУ- и других вредных фаз) структуру, авторами реализованы следующие подходы.Since it is necessary, to the maximum extent possible, to implement the criteria that ensure an increase in strength characteristics in the temperature range from room temperature to (800-850) ° C by optimal alloying and at the same time obtain a thermally stable (without decomposition of the main strengthening γ'-phase, as well as a γ-matrix with separation of embrittling TPU- and other harmful phases) structure, the authors implemented the following approaches.
Состав предложенного сплава обеспечивает выделение большего количества упрочняющей γ'-фазы, поскольку известно, что увеличение ее объемного содержания до (65-68)% повышает высокотемпературную жаропрочность. Необходимо указать, что объемное содержание упрочняющей γ'-фазы (υγ'-фазы) в дисковых жаропрочных никелевых сплавах заметно ниже, чем в литых лопаточных. Указанная особенность связана с тем, что усложнение легирования и соответственно увеличение υγ'-фазы, во-первых, резко снижает технологичность (в том числе деформируемость), а во-вторых, - сопротивление к разрушению, вызванному наличием концентраторов напряжений, которых в диске в силу его конструктивных особенностей имеется достаточно много.The composition of the proposed alloy ensures the release of a larger amount of the strengthening γ'-phase, since it is known that an increase in its volume content to (65-68)% increases the high-temperature heat resistance. It should be noted that the volume content of the strengthening γ'-phase (υ γ'-phase ) in disk heat-resistant nickel alloys is noticeably lower than in cast bladed ones. This feature is due to the fact that the complication of alloying and, accordingly, an increase in υ γ'-phase , firstly, sharply reduces manufacturability (including deformability), and secondly, the resistance to destruction caused by the presence of stress concentrators, which in the disk due to its design features, there are quite a lot.
Однако материалы, получаемые гранульной металлургией, гораздо более технологичны. Это обстоятельство позволило авторам реализовать составы дисковых сплавов с более высоким содержанием упрочняющей γ'-фазы (то есть с увеличенной суммарной концентрацией γ'-образующих элементов). При этом важной является разработка критериев, определяющих верхний и нижний уровень предельного содержания суммы (Al+Ti+Ta+Nb+Hf), а также гарантирующих отсутствие возможного распада упрочняющей γ'-фазы и выделение из нее вредных соединений.However, materials obtained by granular metallurgy are much more technologically advanced. This circumstance allowed the authors to realize the compositions of disk alloys with a higher content of the strengthening γ'-phase (that is, with an increased total concentration of γ'-forming elements). At the same time, it is important to develop criteria that determine the upper and lower levels of the limiting content of the sum (Al + Ti + Ta + Nb + Hf), as well as guarantee the absence of a possible decomposition of the strengthening γ'-phase and the release of harmful compounds from it.
С этой целью были построены зависимости и (Рис. 1а, б).For this purpose, dependencies were built and (Fig. 1a, b).
Видно, что оптимальные значения этой суммы находятся в пределах:It can be seen that the optimal values of this sum are within:
14,7≤(Al+Ti+Ta+Nb)≤16,0 мас.% (3)14.7≤(Al+Ti+Ta+Nb)≤16.0 wt% (3)
При этом: 0,8≤Al/Ti≤1,25 мас.% (4).In this case: 0.8≤Al/Ti≤1.25 wt.% (4).
Таким образом определены условия [уравнения (3), (4)], обеспечивающие высокое содержание упрочняющей γ'-фазы, но при этом одновременно отсутствует возможность ее распада и выделения из нее вредных соединений.Thus, the conditions [equations (3), (4)] are determined, which provide a high content of the strengthening γ'-phase, but at the same time there is no possibility of its decomposition and the release of harmful compounds from it.
С другой стороны важным является высокотемпературное упрочнение γ-твердого раствора, чтобы было гарантировано отсутствие явления выделения из нее охрупчивающих ТПУ-фаз.On the other hand, high-temperature hardening of the γ-solid solution is important in order to ensure that no precipitation of embrittling TPU phases from it is guaranteed.
В качестве критерия, обеспечивающего отсутствие в структуре ТПУ-соединений, во многих патентах указываются разные отношения, в частности: (патент РФ №2695797) или 25≤(Cr+Со)≤27 мас. % и (патент РФ №2623540), или (Cr+Со)≤22,8 мас. % и (Mo+W)≥9,5 мас. % (патент РФ №2590792), или 7,2≤(Cr+Мо)≤10,5 мас. % (патент РФ №2571674).As a criterion for ensuring the absence of TPU compounds in the structure, many patents indicate different ratios, in particular: (RF patent No. 2695797) or 25≤(Cr+Co)≤27 wt. % and (RF patent No. 2623540), or (Cr + Co) ≤ 22.8 wt. % and (Mo+W)≥9.5 wt. % (RF patent No. 2590792), or 7.2≤(Cr+Mo)≤10.5 wt. % (RF patent No. 2571674).
Авторами предлагается подобный критерий установить на базе современных общепризнанных моделей, описывающих состояние структуры никелевых жаропрочных сплавов, а именно на основе метода New Phacomp.The authors propose to establish a similar criterion on the basis of modern generally recognized models that describe the state of the structure of nickel heat-resistant alloys, namely, on the basis of the New Phacomp method.
В соответствии с этим методом условие отсутствия в структуре сплава охрупчивающих ТПУ-соединений следующее:In accordance with this method, the condition for the absence of embrittling TPU compounds in the alloy structure is as follows:
где CNi…CHf - концентрации соответствующих элементов (ат. %) в γ-фазе, а - суммарная энергия валентных d-электронов.where C Ni …C Hf are the concentrations of the corresponding elements (at. %) in the γ-phase, and - total energy of valence d-electrons.
Для области легирования, лежащей внутри предлагаемых нами композиций, можно принять: CNi=0,56; САl=0,086; СТа=0,018; ССо=0,177; CNb=0,013; CTi=0,043; CHf=0,001; CRe≤0,003 (атомное содержание).For the doping area lying inside the compositions we offer, we can take: C Ni =0.56; C Al = 0.086; C Ta =0.018; C Co = 0.177; C Nb =0.013; C Ti =0.043; C Hf =0.001; C Re ≤0.003 (atomic content).
В этом случае:In this case:
где СCr…CRe - концентрация элементов (мас. %) в сплаве.where С Cr …C Re is the concentration of elements (wt %) in the alloy.
Таким образом, зависимость (6) является 4-х компонентной зависимостью, определяющей фазовую границу сплавов с образующимися ТПУ-фазами и без таковых.Thus, dependence (6) is a 4-component dependence that determines the phase boundary of alloys with and without TPU phases formed.
Учитывая, что для обеспечения наиболее высокого уровня кратковременной и длительной прочности важно использовать все имеющиеся возможности, необходимым является совершенствование легирования с целью дополнительного упрочнения как матрицы сплава, так и межфазных и межзеренных границ.Taking into account that in order to ensure the highest level of short-term and long-term strength, it is important to use all available possibilities, it is necessary to improve alloying in order to additionally strengthen both the alloy matrix and interfacial and grain boundaries.
С этой целью в сплав дополнительно введены ванадий и микролегирующий элемент скандий.For this purpose, vanadium and a scandium microalloying element were added to the alloy.
Ванадий является эффективным упрочнителем никелевых сплавов. Его влияние на энергию когезии никеля (характеризующую прочность межатомных связей) выше, чем у алюминия и титана. Недостатком является то, что при концентрации его в сплаве выше 0,5% он начинает оказывать отрицательное влияние на коррозионную стойкость. Однако, учитывая, что температуры работы дисковых сплавов значительно ниже, чем сплавов для рабочих и сопловых лопаток, а потребность в увеличении высокотемпературной прочности велика, в сплав введен этот элемент в количестве, не превышающем 0,5 мас. %.Vanadium is an effective hardener for nickel alloys. Its effect on the cohesive energy of nickel (characterizing the strength of interatomic bonds) is higher than that of aluminum and titanium. The disadvantage is that when its concentration in the alloy is above 0.5%, it begins to have a negative effect on corrosion resistance. However, given that the operating temperatures of disk alloys are much lower than those for working and nozzle blades, and the need to increase high-temperature strength is great, this element is introduced into the alloy in an amount not exceeding 0.5 wt. %.
Кроме того в составе сплава имеется весьма эффективно упрочняющий межфазные и межзеренные границы микролегирующий элемент - скандий. Указанный металл совместно с лантаном, скандием и церием при комплексном легировании оказывают активное синэргетическое воздействие на прочностные свойства при всех температурах. При этом исследования показали, что оптимальное суммарное содержание (La+Ce+Sc) должно находиться на уровне 0,06-0,1 мас. %.In addition, the composition of the alloy contains a microalloying element, scandium, which very effectively strengthens the interphase and grain boundaries. The specified metal together with lanthanum, scandium and cerium with complex alloying have an active synergistic effect on strength properties at all temperatures. At the same time, studies have shown that the optimal total content (La + Ce + Sc) should be at the level of 0.06-0.1 wt. %.
Для никелевых жаропрочных сплавов, получаемых методом гранульной металлургии, очень важным является введение в их состав гафния. Этот элемент существенно улучшает морфологию образующихся карбидов, которая меняется от «китайских иероглифов» до округлых включений, что одновременно повышает не только прочность, но и пластичность.For nickel heat-resistant alloys obtained by the method of granular metallurgy, it is very important to introduce hafnium into their composition. This element significantly improves the morphology of the resulting carbides, which varies from "Chinese characters" to rounded inclusions, which simultaneously increases not only strength, but also ductility.
Однако этот элемент имеет весьма низкую растворимость в никелевой γ-матрице, поэтому его целесообразно вводить в количествах, необходимых для образования карбидов улучшенной морфологии (то есть до 0,3 мас. %). Дальнейшее увеличение его концентрации не приводит к заметным положительным эффектам.However, this element has a very low solubility in the nickel γ-matrix, so it is advisable to introduce it in amounts necessary for the formation of carbides with improved morphology (that is, up to 0.3 wt.%). A further increase in its concentration does not lead to noticeable positive effects.
Учитывая, что кремний и марганец, повышая коррозионную стойкость, оказывают заметное отрицательное влияние на термодинамические параметры и прочностные характеристики, оба этих элемента исключены из состава сплава. Поскольку температуры его эксплуатации заметно ниже, чем у сплавов для лопаток ГТД (следовательно, коррозионные процессы протекают гораздо (на несколько порядков) медленнее.Given that silicon and manganese, while increasing corrosion resistance, have a noticeable negative effect on thermodynamic parameters and strength characteristics, both of these elements are excluded from the composition of the alloy. Since the temperatures of its operation are noticeably lower than those of alloys for GTE blades (hence, corrosion processes proceed much (several orders of magnitude) slower.
Результаты сравнительной оценки заявленного сплава и прототипа (патент РФ №2697674, 2019 г.) приведены в таблицах 1 и 2.The results of a comparative evaluation of the claimed alloy and the prototype (RF patent No. 2697674, 2019) are shown in tables 1 and 2.
Как видно, предлагаемый сплав по своим прочностным характеристикам превосходит сплав-прототип как при комнатной, так и при высоких температурах.As can be seen, the proposed alloy surpasses the prototype alloy in its strength characteristics both at room and at high temperatures.
При этом он термодинамически более устойчив, так как его температуры начала и конца растворения упрочняющей γ'-фазы заметно выше. Следовательно, по сравнению с прототипом он способен работать при более высоких температурах.At the same time, it is thermodynamically more stable, since its temperatures of the beginning and end of the dissolution of the strengthening γ'-phase are noticeably higher. Therefore, compared with the prototype, it is able to operate at higher temperatures.
Кроме этого, поскольку предлагаемого сплава ниже, чем у прототипа, это означает, что он более устойчив против образования охрупчивающих ТПУ-фаз. Указанная особенность важна для сплавов, предназначенных для работы в качестве дисков турбин.In addition, since of the proposed alloy is lower than that of the prototype, which means that it is more resistant to the formation of embrittling TPU phases. This feature is important for alloys designed to work as turbine discs.
Claims (31)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021104915A RU2765297C1 (en) | 2021-02-25 | 2021-02-25 | Nickel granular heat-resistant alloy for gas turbine disks |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021104915A RU2765297C1 (en) | 2021-02-25 | 2021-02-25 | Nickel granular heat-resistant alloy for gas turbine disks |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2765297C1 true RU2765297C1 (en) | 2022-01-28 |
Family
ID=80214460
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2021104915A RU2765297C1 (en) | 2021-02-25 | 2021-02-25 | Nickel granular heat-resistant alloy for gas turbine disks |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2765297C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2789527C1 (en) * | 2022-02-15 | 2023-02-06 | Открытое акционерное общество "Всероссийский институт легких сплавов" (ОАО "ВИЛС") | Heat resistant nickel-based granular alloy |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4894089A (en) * | 1987-10-02 | 1990-01-16 | General Electric Company | Nickel base superalloys |
US5129968A (en) * | 1988-09-28 | 1992-07-14 | General Electric Company | Fatigue crack resistant nickel base superalloys and product formed |
US5129971A (en) * | 1988-09-26 | 1992-07-14 | General Electric Company | Fatigue crack resistant waspoloy nickel base superalloys and product formed |
RU2410457C1 (en) * | 2009-10-23 | 2011-01-27 | Открытое акционерное общество "Всероссийский институт легких сплавов" (ОАО "ВИЛС") | Refractory powder nickel-based alloy |
RU2697674C1 (en) * | 2019-05-24 | 2019-08-16 | Общество с ограниченной ответственностью "НТЦ "Современные технологии металлургии" (ООО "НТЦ"СТМ") | Heat-resistant nickel alloy |
WO2020239369A1 (en) * | 2019-05-28 | 2020-12-03 | Siemens Aktiengesellschaft | Metallic powder mixture for build-up or repair |
-
2021
- 2021-02-25 RU RU2021104915A patent/RU2765297C1/en active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4894089A (en) * | 1987-10-02 | 1990-01-16 | General Electric Company | Nickel base superalloys |
US5129971A (en) * | 1988-09-26 | 1992-07-14 | General Electric Company | Fatigue crack resistant waspoloy nickel base superalloys and product formed |
US5129968A (en) * | 1988-09-28 | 1992-07-14 | General Electric Company | Fatigue crack resistant nickel base superalloys and product formed |
RU2410457C1 (en) * | 2009-10-23 | 2011-01-27 | Открытое акционерное общество "Всероссийский институт легких сплавов" (ОАО "ВИЛС") | Refractory powder nickel-based alloy |
RU2697674C1 (en) * | 2019-05-24 | 2019-08-16 | Общество с ограниченной ответственностью "НТЦ "Современные технологии металлургии" (ООО "НТЦ"СТМ") | Heat-resistant nickel alloy |
WO2020239369A1 (en) * | 2019-05-28 | 2020-12-03 | Siemens Aktiengesellschaft | Metallic powder mixture for build-up or repair |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2789527C1 (en) * | 2022-02-15 | 2023-02-06 | Открытое акционерное общество "Всероссийский институт легких сплавов" (ОАО "ВИЛС") | Heat resistant nickel-based granular alloy |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5278936B2 (en) | Heat resistant superalloy | |
US20220049326A1 (en) | Nickel-based superalloy and parts made from said superalloy | |
JP5270123B2 (en) | Nitride reinforced cobalt-chromium-iron-nickel alloy | |
RU2289637C2 (en) | Nickel base alloy | |
US6890370B2 (en) | High strength powder metallurgy nickel base alloy | |
WO2011062231A1 (en) | Heat-resistant superalloy | |
JP4036091B2 (en) | Nickel-base heat-resistant alloy and gas turbine blade | |
CA2677574C (en) | High-temperature-resistant cobalt-base superalloy | |
JP5418589B2 (en) | Ni-based single crystal superalloy and turbine blade using the same | |
Gui et al. | Microstructure and yield strength of UDIMET 720LI alloyed with Co-16.9 Wt Pct Ti | |
CN109576534A (en) | A kind of low W content γ ` phase strengthens cobalt base superalloy and its preparation process | |
CN108866389A (en) | A kind of high strength and low cost corrosion and heat resistant nickel base superalloy and its preparation process and application | |
JP2005097649A (en) | Ni-BASED SUPERALLOY | |
RU2765297C1 (en) | Nickel granular heat-resistant alloy for gas turbine disks | |
CN108866387A (en) | A kind of gas turbine high-strength corrosion and heat resistant nickel base superalloy and its preparation process and application | |
RU2695097C1 (en) | Deformable nickel-based heat-resistant alloy | |
RU2697674C1 (en) | Heat-resistant nickel alloy | |
US4976791A (en) | Heat resistant single crystal nickel-base super alloy | |
RU2434069C1 (en) | Cast heat resistant alloy on base of nickel | |
RU2768946C1 (en) | Cast heat-resistant nickel alloy with monocrystalline structure | |
JONŠTA et al. | Microstructural analysis of a cast variant of nickel superalloy Inconel 738LC after high temperature exposition | |
RU2777077C1 (en) | High-temperature nickel alloy with equiaxed structure | |
RU2807233C2 (en) | Heat-resistant nickel-based alloy and product made from it | |
WO2008108686A1 (en) | Composition of a heat-resisting nickel-based alloy used for single crystal casting | |
CA1192424A (en) | Nickel-base alloy for single crystal casting |