RU2777077C1 - Жаропрочный никелевый сплав с равноосной структурой - Google Patents

Жаропрочный никелевый сплав с равноосной структурой Download PDF

Info

Publication number
RU2777077C1
RU2777077C1 RU2022102452A RU2022102452A RU2777077C1 RU 2777077 C1 RU2777077 C1 RU 2777077C1 RU 2022102452 A RU2022102452 A RU 2022102452A RU 2022102452 A RU2022102452 A RU 2022102452A RU 2777077 C1 RU2777077 C1 RU 2777077C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
alloy
nickel
equiaxed structure
temperature
heat resistance
Prior art date
Application number
RU2022102452A
Other languages
English (en)
Inventor
Александр Вячеславович Логунов
Екатерина Александровна Базанчук
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Фирма "Медел"
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Фирма "Медел" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Фирма "Медел"
Application granted granted Critical
Publication of RU2777077C1 publication Critical patent/RU2777077C1/ru

Links

Abstract

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству никелевых жаропрочных сплавов, и может быть использовано при изготовлении деталей и узлов для авиационных газотурбинных двигателей и газоперекачивающих, энергетических и морских газотурбинных установок, применяемых в авиации, судостроении, энергетике, ракетостроении и других отраслях промышленности, в том числе для высокотемпературных штампов. Никелевый жаропрочный сплав с равноосной структурой содержит, мас.%: С 0,08-0,18; Сr 3,0-8,0; Со 5,0-10,0; W 4,0-10,0; Мо 0,5-2,0; Аl 4,5-6,5; Ti 0,5-3,5; Nb 0,5-2,5; Та 5,0-10,0; Hf 0,05-1,0; Re 3,0-5,0; V 0,1-1,0; В 0,01-0,1; Zr 0,005-0,05; Се 0,005-0,1; La 0,005-0,1; Y 0,005-0,1; Mg 0,005-0,3; Mn 0,05-0,5; Si 0,05-0,5; Ca 0,02-0,2; Fe 0,1-0,5; Ni - остальное. Сплав характеризуется высоким уровнем жаропрочности. 2 табл.

Description

Жаропрочный никелевый сплав с равноосной структурой. Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству никелевых жаропрочных сплавов, и может быть использовано при изготовлении деталей и узлов для авиационных газотурбинных двигателей и газоперекачивающих, энергетических и морских газотурбинных установок, применяемых в авиации, судостроении, энергетике, ракетостроении и других отраслях промышленности, в том числе для высокотемпературных штампов.
Заявленный никелевый жаропрочный сплав с равноосной структурой, предназначенный для получения в условиях высокотемпературной деформации деталей различного назначения из никелевых, титановых, хромовых сплавов, труднодеформируемых сталей и других материалов, имеет следующий состав (% мас.): С 0,08-0,18; Cr 3,0-8,0; Со 5,0-10,0; W 4,0-10,0; Мо 0,5-2,0; Ti 0,5-3,5; Al 4,5-6,5; Re 3,0-5,0; Та 5,0-10,0; Hf 0,05-1,0; Nb 0,5-2,5; В 0,01-0,1; Zr 0,005-0,05; Се 0,005-0,1; Y 0,005-0,1; La 0,005-0,1; Mg 0,005-0,3; Mn 0,05-0,5; Si 0,05-0,5; Ca 0,02-0,2; V 0,1-1,0; Fe 0,1-0,5; Ni -остальное.
Сплав характеризуется весьма высоким уровнем жаропрочности при температурах (900-1200)°С, а также высокими литейными свойствами, что позволяет изготавливать из него наиболее работоспособные штампы для деформационной обработки заготовок.
В настоящее время при получении дисков компрессоров и турбин, а также лопаток компрессора и других деталей методом деформации в качестве штампа в преобладающем большинстве используют жаропрочный никелевый сплав с равноосной структурой ЖС6У ВИ.
Актуальность разработки нового штампового сплава на никелевой основе обусловлена в первую очередь тем, что за последние два десятилетия появилась группа новых высокожаропрочных дисковых никелевых сплавов, деформация которых осуществляется при температурах (1100-1200)°С и поэтому традиционное использование штампов из сплава ЖС6У становится недостаточно эффективным и неэкономичным вследствие резкого сокращения срока их службы. К таким новым дисковым сплавам относятся в первую очередь сплавы ВВ 751, ВВ 752, ВВ 753, ВЖ 178, СДЖС-15, ВЖ 175 и т.д.
ПАО «ОДК «Сатурн» разработан новый штамповый сплав СЛЖС-1Р (Патент РФ № 2685455, опубл. 20.05.2017 г., бюл. № 17), имеющий следующий состав (мас. %):
С 0,12-0,20
Cr 4,0-8,0
Со 10,0-16,0
W 8,0-12,0
Al 4,0-6,0
Та 6,0-10,0
Hf 0,2-1,0
В 0,005-0,05
Се 0,001-0,1
Y 0,001-0,1
La 0,001-0,1
Si 0,02-0,2
Mn 0,01-0,2
Mg 0,01-0,15
Sc 0,0002-0,01
Nd 0,0005-0,01
Ni Остальное
Этот сплав, имея такой же, как и у ЖС6У удельный вес, отличается от него более высоким объемным содержанием упрочняющей γ'-фазы (60% вместо 58%), при этом вследствие наличия в его составе гафния, образовавшиеся карбиды типа (Hf, Ti)C, во-первых, имеют благоприятную округлую морфологию (вместо шрифтовой типа «КИ» - китайских иероглифов), во-вторых, карбиды (Hf, Ti)C гораздо более устойчивы при высоких температурах и в значительно меньшей степени подвергаются превращениям в карбиды М6С или М23С6. Кроме того, в новом сплаве отсутствуют охрупчивающие ТПУ-фазы. Оценки показывают, что если
Figure 00000001
у сплава ЖС6У равна ≈ 970 МПа, то у сплава СЛЖС-1Р она составляет величину ≈ 1220 МПа. При этом
Figure 00000002
нового сплава находится на уровне ~ (190-200) МПа, в то время как для сплава ЖС6У она равна 165 МПа. Важно, что при температурах деформации титановых сплавов новый штамповый материал обладает весьма высокими показателями - его
Figure 00000003
равна 380 МПа вместо 330 МПа для сплава ЖС6У.
Известен жаропрочный никелевый сплав с равноосной структурой Rene 150(Pat.USA №842698, кл. 148-323, 1979; Stewardson J. Technology for the 80-s - Foundary management and technology, 1979, v. 107, №9, p.46-60), который имеет следующий состав (мас. %):
С 0,06
Cr 5,0
Со 10,0
W 5,0
Мо 1,0
Al 5,5
Та 6,0
Hf 1,5
Ni Остальное
Сплав имеет достаточно высокий уровень жаропрочности, его
Figure 00000002
равна (200-210) МПа, вместе с тем уровень его кратковременной прочности
Figure 00000001
составляет ≈ 960 МПа, что является недостаточным. Кроме того, его «Мисфит» равен - 0,03%, т.е. близок к нулю. Это означает, что определенная часть выделений упрочняющей γ'-фазы имеет не кубическую (наиболее эффективную) форму, а близкую к сферической (менее эффективно тормозящую перемещение дислокаций при высокотемпературном нагружении сплава.
Кроме того, он содержит 63% упрочняющей γ'-фазы, что является недостаточным - современные высокожаропрочные никелевые сплавы с монокристальной структурой содержат порядка 65% этой фазы, прямым образом влияющей на жаропрочность.
Наиболее близким аналогом (прототипом) по составу является жаропрочный никелевый сплав с равноосной структурой (Патент РФ № 2691790, опубл. 18.06.2019 г., бюл. № 17) следующего содержания легирующих элементов (мас. %):
С 0,08-0,18
Cr 10,0-16,0
Со 10,0-16,0
W 2,0-10,0
Ti 2,5-5,5
Al 2,0-5,5
Re 1,2-3,6
Та 4,0-9,0
Hf 0,05-2,0
В 0,005-0,5
Zr 0,005-0,05
Се 0,005-0,5
La 0,005-0,5
Y 0,01-0,5
Mg 0,005-0,3
Mn 0,05-0,5
Si 0,05-0,5
Ca 0,02-0,2
Ni Остальное
При этом с целью предотвращения возможного распада упрочняющей γ'-фазы и образования пластинчатых охрупчивающих соединений типа Ni3Ti и Ni3Ta введено условие:
CAl/(CTi+CTa+CHf)≥1,1 ат.%/ат.%
Сплав имеет высокий уровень прочности при комнатных температурах - его
Figure 00000001
≥ 1300 МПа при значительной пластичности (δ20°C≥14,0%). Но главное - он обладает жаропрочностью
Figure 00000002
на уровне (210-220) МПа и при этом существенной стойкостью к высокотемпературной сульфидной коррозии, что очень важно при эксплуатации этого сплава в ГТУ для энергетики и судостроения. Вместе с тем, если говорить о применении этого сплава в качестве штампового материала, то необходимо иметь еще более высокий уровень жаропрочности.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является разработка нового сплава на никелевой основе с равноосной структурой с повышенным уровнем жаропрочности.
Разработку нового сплава осуществляли по следующим направлениям легирования.
1. Поскольку уровень жаропрочности (особенно при высоких температурах) прямым образом зависит от объемного содержания упрочняющей γ'-фазы, в новом сплаве ее количество изменено с (60-61)% до 65% за счет определенного увеличения содержания главных γ'-образующих элементов (Al+Ti).
2. Поскольку рений является одним из тех элементов, которые наиболее эффективно влияют на жаропрочность при высоких температурах, его содержание также увеличено с 2,4 мас. % (в среднем) до 4,0 мас. %.
3. Исследования показали, что в сплавах с равноосной структурой ниобий заметно увеличивает жаропрочность при 1000°С и более. Поэтому указанный элемент введен в состав предлагаемого сплава дополнительно.
4. Тантал, как и вольфрам заметно улучшает жаропрочность никелевых сплавов как при средневысоких (900°С), так и при высоких (более 1000°С) температурах. Поэтому его содержание в новом сплаве увеличено с ≈ 5,0 мас. % до 6,6 мас. %. При этом концентрация вольфрама осталась на прежнем высоком уровне.
5. Поскольку хром оказывает заметное отрицательное влияние на жаропрочность, его содержание в новом сплаве снижено, хотя он улучшает стойкость к высокотемпературной коррозии. Указанный отрицательный фактор предлагается нивелировать за счет нанесения диффузионных защитных покрытий (алитирование, хромоалитирование).
6. Кроме того, для дальнейшего улучшения жаропрочности в сплав дополнительно введены ванадий и молибден, которые значительно увеличивают высокотемпературные прочностные свойства никелевых сплавов.
7. Благодаря легированию Та и Nb, сравнительно невысокому содержанию Ti и снижению концентрации Cr, упрочняющие выделения карбидов образуются при более высокой температуре в жидкой фазе. Поэтому они имеют округлую морфологию (типа (Та, Nb, Ti)C или (Та, Ti, Nb)C), стабильны при рабочих температурах и не превращаются в располагающиеся по границам зерен в виде непрерывного или почти непрерывного каркаса (и охрупчивающего эти границы) карбиды типа М6С и M23C6.
8. Введение в состав предлагаемого сплава 0,1-0,5 мас. % железа, образующего с никелем непрерывный ряд твердых растворов, обеспечивает, не снижая прочностных и технологических характеристик материала, существенное уменьшение его стоимости при выплавке за счет появление возможности использования более дешевого феррохрома вместо дорогого электролитического металлического хрома. При этом скорость растворения феррохрома в процессе плавки гораздо выше по сравнению с растворением чистого хрома.
Таким образом, по сравнению с прототипом в состав предлагаемого сплава с целью обеспечения наиболее высокого уровня жаропрочности дополнительно включены Nb, Mo,V и Fe.
Предлагаемый сплав достаточно хорошо сбалансирован по составу. Область его легирования находится далеко от фазовых границ существования ТПУ и α-фаз. Поэтому целесообразность наложения дополнительных условий на содержание легирующих элементов отсутствует.
Сравнительная оценка уровня жаропрочности и кратковременной (
Figure 00000001
) прочности предлагаемого сплава (3 различных опытных состава) и сплава-прототипа представлена в Таблицах 1 и 2.
Figure 00000004
Figure 00000005
Figure 00000006
Сравнение результатов, представленных в Таблицах 1 и 2, показывает, что:
1. Предлагаемый сплав по уровню длительной прочности при температурах (900-1000)°С и выше значительно превосходит сплав-прототип и является гораздо более жаропрочным по сравнению с широко используемым в качестве высокотемпературного штампа сплавом ЖС6У.
2. Новый сплав гораздо лучше приспособлен для работы при высоких (1000°С и 1100°С) температурах, т.к. его структура существенно более термостабильна: Тп.р.γ'-фазы и Тн.р.γ-фазы этого сплава равны 1289°С (средняя) и 868°С, а у сплава-прототипа они составляют 1266°С и 853°С соответственно. Это означает, что процесс растворения упрочняющей γ'-фазы в сплаве-прототипе протекает в интервале более низких температур.
3. Высокую работоспособность никелевых сплавов при рабочих температурах, как известно, обеспечивает их легирование W, Mo, Nb, Hf, Та, Re. Наиболее высокое суммарное содержание этих элементов приходится на предлагаемый сплав (20,5 мас. %), в то время, как в сплаве-прототипе их суммарная концентрация равна 16,3 мас. %, т.е. на 4,2 мас. % меньше.

Claims (2)

  1. Жаропрочный никелевый сплав с равноосной структурой, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, алюминий, титан, тантал, гафний, рений, бор, цирконий, церий, лантан, иттрий, магний, марганец, кремний, кальций, отличающийся тем, что он дополнительно содержит молибден, ниобий, ванадий и железо при следующем соотношении легирующих компонентов, мас.%:
  2. Углерод 0,08-0,18 Хром 3,0-8,0 Кобальт 5,0-10,0 Вольфрам 4,0-10,0 Молибден 0,5-2,0 Алюминий 4,5-6,5 Титан 0,5-3,5 Ниобий 0,5-2,5 Тантал 5,0-10,0 Гафний 0,05-1,0 Рений 3,0-5,0 Ванадий 0,1-1,0 Бор 0,01-0,1 Цирконий 0,005-0,05 Церий 0,005-0,1 Лантан 0,005-0,1 Иттрий 0,005-0,1 Магний 0,005-0,3 Марганец 0,05-0,5 Кремний 0,05-0,5 Кальций 0,02-0,2 Железо 0,1-0,5 Никель Остальное
RU2022102452A 2022-02-02 Жаропрочный никелевый сплав с равноосной структурой RU2777077C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2777077C1 true RU2777077C1 (ru) 2022-08-01

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5740668A (en) * 1994-04-20 1998-04-21 Hitachi, Ltd. High efficiency gas turbine
RU2297466C2 (ru) * 2004-11-01 2007-04-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" Монокристальный никелевый жаропрочный сплав
JP2007105735A (ja) * 2005-10-11 2007-04-26 Hitachi Ltd 摩擦圧接方法
RU2691790C1 (ru) * 2019-02-20 2019-06-18 Общество с ограниченной ответственностью "НТЦ "Современные технологии металлургии" (ООО "НТЦ "СТМ") Литейный никелевый сплав

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5740668A (en) * 1994-04-20 1998-04-21 Hitachi, Ltd. High efficiency gas turbine
RU2297466C2 (ru) * 2004-11-01 2007-04-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" Монокристальный никелевый жаропрочный сплав
JP2007105735A (ja) * 2005-10-11 2007-04-26 Hitachi Ltd 摩擦圧接方法
RU2691790C1 (ru) * 2019-02-20 2019-06-18 Общество с ограниченной ответственностью "НТЦ "Современные технологии металлургии" (ООО "НТЦ "СТМ") Литейный никелевый сплав

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8734716B2 (en) Heat-resistant superalloy
US4437913A (en) Cobalt base alloy
US11718897B2 (en) Precipitation hardenable cobalt-nickel base superalloy and article made therefrom
EP2281907A1 (en) Nickel-Base Superalloys and Components Formed Thereof
EP2058415A1 (en) Forged Austenitic Stainless Steel Alloy Components and Method Therefor
CN1222200A (zh) 镍-基超合金
US20170342527A1 (en) Cobalt-based super alloy
JP2017525842A (ja) ターボマシンの構成要素、ターボマシン、およびその作製方法
Ritzenhoff et al. Corrosion resistance of high nitrogen steels
US7507306B2 (en) Precipitation-strengthened nickel-iron-chromium alloy and process therefor
RU2777077C1 (ru) Жаропрочный никелевый сплав с равноосной структурой
CN111074101A (zh) 一种高强低比重定向凝固镍基高温合金及其制备方法和应用
RU206356U1 (ru) Лопатка турбины для газотурбинных двигателей и энергетических установок
RU2765297C1 (ru) Никелевый гранульный жаропрочный сплав для дисков газовых турбин
RU2695097C1 (ru) Деформируемый жаропрочный сплав на основе никеля
RU2353691C2 (ru) Состав жаропрочного никелевого сплава (варианты)
US20240060164A1 (en) Cast iron-base, high-strength, oxidation-resistant alloy
RU2803779C1 (ru) Литейный коррозионно-стойкий поликристаллический жаропрочный сплав на основе никеля
RU2829545C1 (ru) Жаропрочный никелевый сплав для дисков газотурбинных двигателей
RU2237093C1 (ru) СПЛАВ НА ОСНОВЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДА Ni3Al И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО
RU2737835C1 (ru) Жаропрочный деформируемый сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него
RU206355U1 (ru) Лопатка турбины ДГ-90
RU2790495C1 (ru) Жаропрочный литейный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него
RU2794496C1 (ru) Жаропрочный литейный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него
Mazalov et al. Specific features of microstructure formation in Co–Cr–Ni–W–Ta alloys and their mechanical properties