RU2769330C1 - Cast heat-resistant nickel alloy with monocrystalline structure - Google Patents
Cast heat-resistant nickel alloy with monocrystalline structure Download PDFInfo
- Publication number
- RU2769330C1 RU2769330C1 RU2021118418A RU2021118418A RU2769330C1 RU 2769330 C1 RU2769330 C1 RU 2769330C1 RU 2021118418 A RU2021118418 A RU 2021118418A RU 2021118418 A RU2021118418 A RU 2021118418A RU 2769330 C1 RU2769330 C1 RU 2769330C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- alloy
- tantalum
- rhenium
- scandium
- molybdenum
- Prior art date
Links
Classifications
-
- 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%
Abstract
Description
Изобретение относится к области металлургии - к производству литейных жаропрочных никелевых сплавов, предназначенных для литья лопаток и других ответственных деталей газовых турбин, имеющих монокристальную структуру.The invention relates to the field of metallurgy - to the production of cast heat-resistant nickel alloys intended for casting blades and other critical parts of gas turbines having a single-crystal structure.
Литейный жаропрочный никелевый сплав с монокристальной структурой, содержит (мас. %): углерод 0,002-0,01; хром 2,8-6,0; кобальт 3,0-6,5; вольфрам 2,0-5,0; молибден 1,5-3,5; алюминий 5,4-6,3; ниобий 0,1-1,0; тантал 7,2-9,0; рений 4,3-7,0; бор 0,005-0,01; цирконий 0,005-0,03; церий 0,001-0,1; лантан 0,001-0,1; иттрий 0,001-0,1; магний 0,01-0,03, а также дополнительно титан 0-1,2; гафний 0,1-0,3; марганец 0,01-0,2; кремний 0,01-0,2;скандий 0,005-0,03; никель - остальное.Cast heat-resistant nickel alloy with a single-crystal structure, contains (wt.%): carbon 0.002-0.01; chromium 2.8-6.0; cobalt 3.0-6.5; tungsten 2.0-5.0; molybdenum 1.5-3.5; aluminum 5.4-6.3; niobium 0.1-1.0; tantalum 7.2-9.0; rhenium 4.3-7.0; boron 0.005-0.01; zirconium 0.005-0.03; cerium 0.001-0.1; lanthanum 0.001-0.1; yttrium 0.001-0.1; magnesium 0.01-0.03, and additionally titanium 0-1.2; hafnium 0.1-0.3; manganese 0.01-0.2; silicon 0.01-0.2; scandium 0.005-0.03; nickel - the rest.
Увеличение параметров авиационных двигателей прямым образом связано с требованием повышения жаропрочности никелевых сплавов, используемых при литье монокристальных лопаток газовых турбин.The increase in the parameters of aircraft engines is directly related to the requirement to increase the heat resistance of nickel alloys used in the casting of single-crystal gas turbine blades.
В настоящее время для производства никелевых сплавов с более высоким уровнем жаропрочности в России и за рубежом начали применять кроме весьма дорого и дефицитного рения еще и элемент платиновой группы рутений. Реализация этого направления развития действительно позволила получить сплавы 5-го поколения с уровнем свойств порядка 300 МПа, однако при этом резко возросла их стоимость.At present, for the production of nickel alloys with a higher level of heat resistance in Russia and abroad, in addition to very expensive and scarce rhenium, the element of the platinum group ruthenium has also begun to be used. The implementation of this direction of development really made it possible to obtain alloys of the 5th generation with a level of properties about 300 MPa, however, their cost has sharply increased.
В связи с этим одной из актуальных задач является создание сплавов имеющих такой же высокий уровень жаропрочности, соответствующий металлическим материалам 4-5-го поколений , но при этом не имеющих в своем составе рутений.In this regard, one of the urgent tasks is the creation of alloys with the same high level of heat resistance, corresponding to metallic materials of the 4th-5th generations. , but do not contain ruthenium.
Известен жаропрочный никелевый сплав (Pat. Wo2019/097163, фирма Safran, Франция, опубл. 14.11.2018), содержащий в своем составе (мас. %):Known heat-resistant nickel alloy (Pat. Wo2019/097163, Safran, France, publ. 11/14/2018), containing in its composition (wt.%):
Сплав имеет высокий уровень жаропрочности (его равно МПа). При этом, однако, данного сплава при максимально допустимом 0,9. Это означает, что в структуре сплава возможно появление охрупчивающих ТПУ-соединений. Кроме того, его удельный вес равен 9,02 г/см3, что также является нежелательным. Недавно в Китае был разработан сплав (патент Китая №106756249, опубл. 31.05.2017 г.), имеющий следующий состав (мас. %):The alloy has a high level of heat resistance (its equals MPa). However, this alloy with a maximum allowable of 0.9. This means that embrittling TPU compounds may appear in the alloy structure. In addition, its specific gravity is 9.02 g/cm 3 , which is also undesirable. Recently, an alloy has been developed in China (China patent No. 106756249, published on May 31, 2017), which has the following composition (wt.%):
Этот сплав также обладает высокой жаропрочностью - его при удельном весе 8,96 г/см3.This alloy also has high heat resistance - its with a specific gravity of 8.96 g/cm 3 .
Главным его недостатком, ограничивающим успешное применение, является наличие (Re+Ru) и соответственно - высокая стоимость.Its main disadvantage, which limits its successful application, is the presence of (Re+Ru) and, accordingly, high cost.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является литейный никелевый жаропрочный сплав с монокристальной структурой (патент РФ №2402624, опубл. 27.10.2010 г.), имеющий следующий химический состав (мас. %):The closest analogue, taken as a prototype, is a cast nickel heat-resistant alloy with a single-crystal structure (RF patent No. 2402624, publ. 27.10.2010), having the following chemical composition (wt.%):
Сплав является представителем 5-го поколения монокристальных никелевых жаропрочных сплавов. Он имеет жаропрочность его при достаточно большом удельном весе - 9,03 г/см3. Кроме того, в его составе находится дорогих элементов (Re+Ru).The alloy is a representative of the 5th generation of single-crystal nickel superalloys. It has the heat resistance of it with a sufficiently large specific gravity - 9.03 g/cm 3 . In addition, it contains expensive elements (Re + Ru).
Техническим результатом изобретения является снижение общего суммарного содержания, крайне дорогих легирующих элементов (Re+Ru) при исключении из состава сплава рутения, снижение его удельного веса при сохранении высокого уровня жаропрочности.The technical result of the invention is a reduction in the total total content of extremely expensive alloying elements (Re + Ru) with the exclusion of ruthenium from the composition of the alloy, a decrease in its specific gravity while maintaining a high level of heat resistance.
Технический результат достигается тем, что литейный жаропрочный никелевый сплав с монокристаллической структурой, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, тантал, рений, бор, церий, лантан, иттрий, магний, согласно настоящему изобретению, дополнительно содержит гафний, марганец, кремний, скандий, титан, ниобий, цирконий при следующем соотношении компонентов (мас. %):The technical result is achieved by the fact that the casting heat-resistant nickel alloy with a single-crystal structure containing carbon, chromium, cobalt, tungsten, molybdenum, aluminum, tantalum, rhenium, boron, cerium, lanthanum, yttrium, magnesium, according to the present invention, additionally contains hafnium, manganese , silicon, scandium, titanium, niobium, zirconium in the following ratio of components (wt.%):
В заявленном сплаве с целью уменьшения удельного веса несколько снижено суммарное содержание тугоплавких элементов, отличающихся высоким удельным весом, однако при этом для сохранения уровня жаропрочности увеличена концентрация тантала, эффективно повышающего высокотемпературную работоспособность никелевых сплавов. С этой же целью в сплав дополнительно введены гафний и скандий. Гафний, как известно, активно повышает жаропрочность сплавов на основе никеля. Однако он обладает низкой растворимостью в γ-твердом растворе. Поэтому его вводят в небольших количествах, избегая появления новых фазовых выделений и соответственно возникновения нежелательных для монокристаллов границ зерен.In the claimed alloy, in order to reduce the specific gravity, the total content of refractory elements, which are characterized by a high specific gravity, is slightly reduced, however, in order to maintain the level of heat resistance, the concentration of tantalum is increased, which effectively increases the high-temperature performance of nickel alloys. For the same purpose, hafnium and scandium were added to the alloy. Hafnium is known to actively increase the heat resistance of nickel-based alloys. However, it has low solubility in γ-solid solution. Therefore, it is introduced in small amounts, avoiding the appearance of new phase precipitates and, accordingly, the appearance of grain boundaries that are undesirable for single crystals.
Скандий эффективно увеличивает энергию когезии никеля и тем самым способствует улучшению высокотемпературной прочности γ-матрицы.Scandium effectively increases the cohesive energy of nickel and thereby improves the high-temperature strength of the γ-matrix.
Кроме того, тантал и скандий в первую очередь располагаются в дефектных объемах, что приводит к увеличению длительной прочности.In addition, tantalum and scandium are primarily located in defective volumes, which leads to an increase in long-term strength.
Учитывая, что сплав предназначен для работы при очень высоких температурах (1000°С и более) в условиях активного воздействия коррозии, в сплав дополнительно введены марганец и кремний в количествах, при которых они обеспечивают эффективную защиту от высокотемпературной коррозии, но при этом не снижают прочностные характеристики.Considering that the alloy is intended for operation at very high temperatures (1000°C and more) under conditions of active corrosion, manganese and silicon are additionally introduced into the alloy in amounts at which they provide effective protection against high-temperature corrosion, but at the same time do not reduce strength properties. characteristics.
Поскольку для увеличения жаропрочности важно использовать минимально возможные механизмы упрочнения в сплав введен дополнительно титан, который снижает скорость коагуляции частиц и рафт-пластин γ'-фазы в процессе высокотемпературного нагружения сплавов, тем самым способствуя улучшению их работоспособности.Since, to increase the heat resistance, it is important to use the minimum possible hardening mechanisms, titanium is additionally introduced into the alloy, which reduces the coagulation rate of particles and raft plates of the γ'-phase during high-temperature loading of alloys, thereby improving their performance.
При легировании сплава также необходимо ввести требования, обеспечивающие отсутствие условий распада γ-матрицы и выделения из нее охрупчивающих ТПУ-фаз. Это условие основано на широко используемой в методе New Phacomp зависимости, а именно:When alloying an alloy, it is also necessary to introduce requirements that ensure the absence of conditions for the decay of the γ-matrix and the separation of embrittling TPU phases from it. This condition is based on a widely used dependency in the New Phacomp method, namely:
Здесь суммарная энергия валентных электронов элементов, входящих в состав сплава, Сi - атомные концентрации элементов, образующих γ-фазу.Here the total energy of the valence electrons of the elements that make up the alloy, C i are the atomic concentrations of the elements that form the γ-phase.
Для области легирования предложенного сплава зависимость (1) преобразуется в следующую:For the alloying area of the proposed alloy, dependence (1) is transformed into the following:
где Ci - концентрации соответствующих легирующих элементов (мас. %) в сплаве.where C i - the concentration of the corresponding alloying elements (wt.%) in the alloy.
Укажем, что в соответствии с нашими исследованиями , которое в методе New Phacomp равно 0,93, зависит от атомной массы γ-фазы сплава и для уровня сложности предлагаемой области легирования оно равно 0,9.We point out that, in accordance with our research , which in the New Phacomp method is equal to 0.93, depends on the atomic mass of the γ-phase of the alloy and for the level of complexity of the proposed alloying area it is equal to 0.9.
Для ограничения процесса распада упрочняющий γ'-фазы предлагаемого сплава, которое приводит к снижению его работоспособности, представлена следующая зависимость:To limit the process of decomposition of the strengthening γ'-phase of the proposed alloy, which leads to a decrease in its performance, the following dependence is presented:
здесь Ci - концентрация (ат %) соответствующих элементов в γ'-фазе.here C i is the concentration (at %) of the corresponding elements in the γ'-phase.
Таким образом, дополнительно к указанной области легирования вводятся условия (2) и (3), обеспечивающие требуемую работоспособность предлагаемого сплава.Thus, in addition to the specified alloying area, conditions (2) and (3) are introduced to ensure the required performance of the proposed alloy.
Сравнительная оценка уровня жаропрочности предлагаемого сплава (3 опытных состава) и известного сплава (патент РФ №2530932), выбранного за прототип, представлены в Таблице 1 и 2.A comparative assessment of the level of heat resistance of the proposed alloy (3 experimental compositions) and the known alloy (RF patent No. 2530932), selected as a prototype, are presented in Tables 1 and 2.
Сравнение результатов, приведенных в Таблице 2, показывает, что предлагаемый сплав при уровне длительной прочности более 300 МПа отличается от прототипа:Comparison of the results shown in Table 2 shows that the proposed alloy at the level of long-term strength more than 300 MPa differs from the prototype:
- меньшим удельным весом (что имеет весьма важное значение для обеспечения более низкого удельного веса газовой турбины);- lower specific gravity (which is very important to ensure a lower specific gravity of the gas turbine);
- более высокой работоспособностью, поскольку температура полного растворения γ'-фазы в предлагаемом сплаве (равна или выше 1320°С) заметно превосходит Tпрγ' прототипа, имеющего 1308°С;- higher performance, since the temperature of complete dissolution of the γ'-phase in the proposed alloy (equal to or higher than 1320°C) significantly exceeds T prγ' prototype having 1308°C;
- самое главное - новый сплав существенно (более чем на 35%) экономичнее прототипа, стоимость 1 кг его шихты равна (22,8-23,4) тыс руб., в то время как удельная цена шихты сплава с (Re+Ru) составляет величину тыс руб.;- the most important thing is that the new alloy is significantly (more than 35%) more economical than the prototype, the cost of 1 kg of its charge is (22.8-23.4) thousand rubles, while the specific price of the charge of the alloy with (Re + Ru) amounts to thousand roubles.;
- при использовании этого материала отпадает необходимость применения элементов драгоценной платиновой группы.- when using this material, there is no need to use elements of the precious platinum group.
Claims (7)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021118418A RU2769330C1 (en) | 2021-06-24 | 2021-06-24 | Cast heat-resistant nickel alloy with monocrystalline structure |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021118418A RU2769330C1 (en) | 2021-06-24 | 2021-06-24 | Cast heat-resistant nickel alloy with monocrystalline structure |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2769330C1 true RU2769330C1 (en) | 2022-03-30 |
Family
ID=81076236
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2021118418A RU2769330C1 (en) | 2021-06-24 | 2021-06-24 | Cast heat-resistant nickel alloy with monocrystalline structure |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2769330C1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2149202C1 (en) * | 1996-04-16 | 2000-05-20 | Сименс Акциенгезелльшафт | Article for direction of hot oxidizing gas |
RU2402624C1 (en) * | 2009-06-16 | 2010-10-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Heat resistant alloy on base of nickel |
EP2062990A4 (en) * | 2006-09-13 | 2014-12-17 | Nat Inst For Materials Science | Ni-BASE SINGLE CRYSTAL SUPERALLOY |
RU2588949C1 (en) * | 2015-04-01 | 2016-07-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | ALLOY BASED ON INTERMETALLIC COMPOUND Ni3Al AND ARTICLE MADE THEREFROM |
-
2021
- 2021-06-24 RU RU2021118418A patent/RU2769330C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2149202C1 (en) * | 1996-04-16 | 2000-05-20 | Сименс Акциенгезелльшафт | Article for direction of hot oxidizing gas |
EP2062990A4 (en) * | 2006-09-13 | 2014-12-17 | Nat Inst For Materials Science | Ni-BASE SINGLE CRYSTAL SUPERALLOY |
RU2402624C1 (en) * | 2009-06-16 | 2010-10-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Heat resistant alloy on base of nickel |
RU2588949C1 (en) * | 2015-04-01 | 2016-07-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | ALLOY BASED ON INTERMETALLIC COMPOUND Ni3Al AND ARTICLE MADE THEREFROM |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9945019B2 (en) | Nickel-based heat-resistant superalloy | |
RU2415959C1 (en) | MONO-CRYSTAL SUPER-ALLOY ON BASE OF Ni AND TURBINE BLADE CONTAINING IT | |
JP5696995B2 (en) | Heat resistant superalloy | |
JP5278936B2 (en) | Heat resistant superalloy | |
US20140205449A1 (en) | Superalloys and components formed thereof | |
RU2482205C1 (en) | SINGLE-CRYSTALLINE SUPERALLOY BASED ON Ni AND TURBINE BLADE COMPRISING IT | |
JP2009097094A (en) | Nickel-base superalloy | |
RU2295585C2 (en) | High-strength nickel-based superalloy resistant to high-temperature corrosion and oxidation, and directionally solidified product of this superalloy | |
BR112019021654A2 (en) | SUPERCALINATE BASED ON CLEAN-NICKEL HARDENING BY PRECIPITATION AND ITEM MANUFACTURED FROM THE SUPERLIGA ON COBALT-NICKEL BASED BY PRECIPITATION | |
WO2015012888A1 (en) | Superalloys and components formed thereof | |
JP5323162B2 (en) | Polycrystalline nickel-based superalloy with excellent mechanical properties at high temperatures | |
TWI248975B (en) | Nickel-base superalloy for high temperature, high strain application | |
AU2017200656A1 (en) | Ni-based superalloy for hot forging | |
EP2942411A1 (en) | High strength single crystal nickel based superalloy | |
AU2017200657A1 (en) | Ni-based superalloy for hot forging | |
RU2769330C1 (en) | Cast heat-resistant nickel alloy with monocrystalline structure | |
RU2525952C2 (en) | Nickel-based heat-resistant alloy | |
EP1760164B1 (en) | Nickel-base superalloy | |
RU2434069C1 (en) | Cast heat resistant alloy on base of nickel | |
CA2727105C (en) | Improved low sulfur nickel-base single crystal superalloy with ppm additions of lanthanum and yttrium | |
JP5129303B2 (en) | Single crystal nickel-based super heat-resistant alloy with excellent creep characteristics | |
CN115011844A (en) | Rhenium-containing tungsten-free low-specific gravity nickel-based single crystal superalloy and heat treatment process thereof | |
RU2768947C1 (en) | Heat-resistant nickel alloy for casting parts with monocrystalline structure | |
KR102639952B1 (en) | Super alloy | |
RU2710759C1 (en) | Nickel-based heat-resistant alloy and article made from it |