UA73989C2 - High-strength, corrosion-resistant superalloy based on nickel and unidirectional article - Google Patents

Description

Опис винаходу

Цей винахід відноситься до суперсплавів на основі нікелю для застосування у спрямовно скристалованих 2 деталях та особливо до таких сплавів, з яких виробляються деталі, що мають гарні механічні властивості при підвищених температурах, гарну стійкість до високотемпературної корозії та гарну стійкість до окиснення.

Підвищенні вимоги щодо коефіцієнту корисної дії газотурбінних двигунів зумовили потребу у матеріалах, здатних витримувати більш суворі умови роботи. Зокрема, для певних випадків застосування необхідною є гарна міцність поряд зі стійкістю до високотемпературної корозії, окиснення та повзучості. 70 У |патенті США Мо3,619,1821) описано суперсплав помірної міцності, який має комерційну назву ІМ 792 та який має доцільно високу корозійну стійкість. У (патенті Мо3, 619,182| описано сплав, що має склад, у вагових відсотках: 9,5-14 Ст, 7-11 Со, 1-2,5 Мо, 3-4 МУ, 1-4 Та, аж до 1 МБ, 3-4 АЇ, 3-5 Ті, АЇ разом з Ті становить 6,5-8, 0,005-0,05 В, 0,01-0025 2, 0,02-025 С, решта Мі. При поданні заявки |на патент Мо3, 619,182 передбачалося, що сплав виливався для утворення рівновісної (наприклад, без жодних ознак кристалографічної 12 орієнтації) деталі, наприклад, деталей газотурбінного двигуна. (Патент США МоЗ3, 619,182| особливо включено сюди шляхом посилання.

Сплав, загальновідомий як 5ТО-111, виливали у рівновісні та спрямовно скристаловані зразки. У рівновісних виливках сплав 370-111 має номінальний склад, у вагових відсотках: 14 Ст, 9,7 Со, 1,5 Мо, 3,8 МУ, З Та, З АЇї, 010 С, 5 Ті, 0,02 В, 0,04 7, решта Мі, дивіться, наприклад, ЗспіКе еї а). "Аадмапсед Маїйегіаів Ргореї!

Ргодгезз іп І апа-Вазей баз Тигріпев", Адумапсед Маїгїегіаїз апа Ргосеззев, АргіЇ 1992; дивіться також патент

Великобританії Мо1,511,5621 (13,7-14,3 Ст, 9-10 Со, 1-1,5 Мо, 4,8-5,5 Ті, 2,8-3,2 АЇ, 3-4,3 МУ, 1-1,5 МБ, 2,5-3

Та, 2,8-3,2 А, 0,08-02 С, 4,8-5,5 Ті, 0,01-0002 В, 0,02-0,1 7 та або 1,5-3,5 суміші Та, МЬ та НЕ, або 2,5-3 Та, або 2-2,5 НЕ, або 1-1,5 МЬ (або Та разом з МБ та НЕ становлять 1,5-3,5), та складається з основи та монокарбідної фази, розподіленої у основі, яка складається з Ті, Мо, МУ та/або Та, та/або МБ, та/або НІ у с 29 таких співвідношеннях, щоб загальна кількість Мо та МУ становила менше, ніж 15 вагових відсотків від карбідної Ге) фази). У спрямовно скристалованих виливках номінальний склад є подібним, за виключенням того, що кількість цирконію є ледь меншою. Дивіться С.К. Воиве, "ЕФа (п) апа Ріаїеієеї Рпазевз іп Іплевітепі Саві ЗирегаїІсув", представленій на ЗирегаїІсуз 1996, Земеп Зргіпоз, Ра. (Патент США Мо3,615,376)| стосується сплаву з заявленим складом, у вагових відсотках: 0,15-0,3 С (згідно з іа описом є більш, ніж необхідно для запобігання оксидуванню, та є достатнім для утворення карбідів на межах с зерен), 13-15,6 Ст, 5-15 Со, 2,5-5 Мо, 3-6 МУ, 4-6 Ті, 2-4 АЇ, 0,005-0,02 7, решта Мі та випадкові домішки, а також необхідно, щоб Ті/А! становили 1:1-3:1, Ті разом з А! становили між 7,5-9, Мо разом з 0,5 М/ становили Ме. між 5-7, при цьому треба, щоб сигма-фаза була практично відсутньою та щоб термін до руйнування при со випробуванні на тривалу міцність становив, принаймні, 25 годин при напруженні 189,6МПа (27,5К8і (тисяч 3о фунтів-сили на квадратний дюйм)) та температурі 98222 (18002г). Спрямовно скристалований варіант цього в сплаву може також містити суттєву навмисно додану кількість Ні, наприклад, аж до або понад 0,5 вагових відсотків. Ми визначили, взагалі, що для того, щоб пристосувати сплав до одержання колончастих зерен, у сплав слід додати суттєву кількість Ні, коли початковий сплав є рівновісним або монокристалічним, для надання « критичних властивостей, таких як прийнятна пластичність, яка визначається на поперечному зразку, та для З 70 запобігання гарячого надриву під час виливання, що є необхідним при застосуванні для деталей газотурбінного с двигуна. "з Сплав, описаний у загально доступному (патенті США Мо4,597,809|), є результатом дослідження впливу другорядних елементів, таких як вуглець, бор, цирконій та гафній, на властивості певних комерційних сплавів у монокристалічній формі (як виявляється, головною функцією цих другорядних елементів є залучання зміцнення 75 на межах зерен). Попередньо визначили, що виготовлення сплаву ІМ 792 (первинно у рівновісній формі), який - було перетворено |за патентом США за Мо3,619,1821 у монокристалічну форму (проте без зміцнювання на межах (4) зерен), зумовило суттєві та несподівані переваги щодо механічних властивостей. Деталі з монокристалічного ІМ 792, які оцінювали, не мали навмисних добавок вуглецю, бору, цирконію або гафнію. Протягом дослідження ї-о впливу другорядних елементів на ІМ 792 спостерігали, що додавання невеликої кількості вуглецю, а саме 0,10 (ее) 20 вагових відсотків, до монокристалів ІМ 792 суттєво поліпшувало стійкість до високотемпературної корозії, проте, одночасно суттєво знижувало механічні властивості матеріалу. Поліпшення стійкості до с високотемпературної корозії було повністю несподіваним та було незрозумілим. На наступному етапі дослідження здійснювали додавання танталу до основного складу ІМ 792 в узгодженні з доданим вуглецем та визначили, що збалансований вміст доданих танталу та вуглецю (щоб зв'язати вуглець у вигляді карбіду 99 танталу) зумовлював гарну комбінацію поліпшених механічних властивостей та поліпшену стійкість до корозії.

ГФ) Монокристалічні деталі у багатьох випадках є більш складними та дорогими у виробництві порівняно з такими т ж колончасто-зернистими деталями, особливо при підвищенні розміру деталей. Крім того, коли необхідно виготовити деталі відносно великого розміру, наприклад, для застосування у наземній газовій турбіні, складність та вартість можуть суттєво підвищитися. 60 Як зазначалося вище, під час пристосування сплаву, первинно розробленого для застосування для монокристалічних деталей, для використання для колончасто-зернистих спрямовно скристалованих деталей або під час пристосування сплаву, первинно розробленого для застосування у рівновісній формі, для використання для колончасто-зернистих спрямовно скристалованих деталей, певні зміни щодо складу є звичайно обов'язковими для підвищення пластичності та міцності на межах зерен. Наприклад, гафній, вуглець, бор та бо цирконій звичайно додають до монокристалічного або рівновісного складу для поліпшення властивостей, таких як границя повзучості та/або пластичність, які визначаються на поперечних зразках. Проте, додавання гафнію, навіть у невеликій кількості, такій як 0,5-2 вагових відсотки, має декілька небажаних наслідків, включаючи підвищену сегрегаційну смугастість, яка може суттєво знизити рідкоплинність сплаву. Крім того, гафній сприяє підвищеному утворенню евтектики Г/".

Гафній також знижує початкову температуру плавлення сплаву, таким чином знижуючи температурний діапазон, або вікно, доступний для термообробки на твердий розчин. Оскільки для того, щоб досягти належної границі повзучості, звичайно необхідно, щоб деталь зазнала придатної термообробки на твердий розчин, знижений діапазон ускладнює - у деяких випадках робить неможливою - придатну термообробку на твердий 7/0 розчин. Ця проблема загострюється для більш великих деталей, таких як деталі наземної газової турбіни, де сегрегація стає гіршою. Додавання гафнію також підвищує густину сплаву, підвищуючи вагу деталей, виготовлених з такого сплаву, а також може знизити мікроструктурну стабільність сплаву.

Бажано отримати матеріал для виготовлення колончасто-зернистих деталей та отримати такі деталі, які б мали адекватну міцність відносно таких самих деталей у монокристалічній формі та які б також демонстрували, принаймні, порівняну стійкість до окиснення та корозії.

Бажано також отримати переваги складу сплаву, пристосованого для застосування у колончасто-зернистих спрямовно скристалованих деталях, зберігаючи при цьому переваги сплаву, пристосованого для застосування у монокристалічних деталях.

Подібно до цього, бажано отримати сплав, який має стійкість до окиснення у колончасто-зернистій формі, го якає, принаймні, гідною порівняння зі стійкістю у монокристалічній формі.

Крім того, бажано отримати такий сплав, який має адекватну пластичність, яка визначається на поперечному зразку, без додавання гафнію.

Іще бажано отримати такий сплав, який не потребує термообробки на твердий розчин для досягнення адекватної границі повзучості. сч

Для вирішення зазначених задач заявляється група винаходів, пов'язаних єдиним винахідницьким задумом.

В цю групу входять "Спрямовно скристалована деталь з високоміцного корозійностійкого та стійкого до і) окиснення суперсплаву на основі нікелю" та "Високоміцний корозійностійкий та стійкий до окиснення суперсплав на основі нікелю для колончасто-зернистих спрямовно скристалованих деталей".

Згідно з першим аспектом цього винаходу заявляється спрямовно скристалована деталь з високоміцного Ге! зо корозійностійкого та стійкого до окиснення суперсплаву на основі нікелю, який містить хром, кобальт, молібден, вольфрам, тантал, алюміній, титан, бор та вуглець, а також домішку цирконію, та який має основу, що со містить карбідну фазу, при цьому відповідно до винаходу сплав містить компоненти у такому співвідношенні, Ге! ваг. 90: со хром 10-13,5 кобальт 8-10 - молібден 1,25-2,5 вольфрам 3,25-4,25 тантал 4,5-6 « алюміній 3,25-4,5 шщ с титан 3-4,75 бор 0,0025-0,025 ; т вуглець 0,05-0,15 нікель решта, ши , ше -І при цьому алюміній разом з титаном становлять 6,5-895, сплав не містить навмисних добавок ніобію та навмисних добавок гафнію, домішка цирконію становить не більше 0,О5ваг.9о, а як карбідну фазу основа сплаву о містить 0,4-1,5 об'ємного відсотка фази на основі карбіду танталу. со У деяких конкретних формах виконання деталь, що заявляється, характеризується наступними суттєвими ознаками. со Деталь є колончасто-зернистою спрямовно скристалованою. Деталь має пластичність, яка визначається на

Ге) поперечному зразку, яка перебільшує 595 при 7602 та при 9822. Деталь є монокристалічною деталлю, яка містить границі з великими кутами аж до, принаймні, приблизно 202. Деталь має стійкість до руйнування при випробуванні на повзучість до досягнення розриву достатню для того, щоб навантаження, що становить приблизно 186,2МПа, руйнувало деталь тільки більш ніж через 45 годин, та також має час досягнення деформації повзучості у 1965, що становить більш ніж 15 годин при 9822. Руйнування при випробуванні на

Ф, повзучість до досягнення розриву виникає лише після більш ніж 85 годин. Сплав містить компоненти у такому ко співвідношенні, ваг. бо: хром 11-13, кобальт 8,25-9,75, молібден 1,5-2,25, вольфрам 3,4-4,25, тантал 4,7-5,5, алюміній 3,3-4, титан 3,75-4,3, бор 0,008-0,025, вуглець 0,05-0,15, нікель - решта, при цьому алюміній разом бо з титаном становлять 7,05-895, а домішка цирконію становить не більше 0,04ваг.9о. У сплаві вуглець становить 0,08-0,13ваг.ю, а домішка цирконію становить не більше 0,02ваг.5. Сплав містить компоненти у такому співвідношенні, ваг. о: хром 12, кобальт 9, молібден 1,9, вольфрам 3,8, тантал 5, алюміній 3,6, титан 41, бор 0,015, вуглець 0,10, нікель - решта, а домішка цирконію становить не більше 0,02ваг.9о. Деталь є деталлю газотурбінного двигуна. Деталь є лопаткою турбіни або напрямного апарату. Деталь має принаймні гідну 65 порівняння вимірювану при 8712 стійкість до високотемпературної корозії та вимірювану при 10939С стійкість до окиснення, яка принаймні удвічі перебільшує стійкість до окиснення спрямовно скристалованої деталі, що має номінальний склад, ваг. 90: 14 Ст, 4,9 Ті, 1,5 Мо, 3,8 МУ, 2,8 Та, З АїЇ, 9,5 Со, 0,01 В, 0,02 2, 01 С та решта Мі. Деталь має стійкість до окиснення при 10932 приблизно у 2,5 рази більше та термін до руйнування при випробуванні на тривалу міцність при 76092С приблизно у 2,4 рази більше, а при 9822С, принаймні, приблизно у 1,5 рази більше порівняно з подібною деталлю, яка має номінальний склад, ваг. 90: 14 Ст, 4,9 Ті, 1,5 Мо, 3,8 МУ, 2,8 Та, З АІ, 9,5 Со, 0,01 В, 0,02 7т, 0,1 С та решта Мі.

Згідно з другим аспектом цього винаходу заявляється високоміцний корозійностійкий та стійкий до окиснення суперсплав на основі нікелю для колончасто-зернистих спрямовно скристалованих деталей, який містить хром, кобальт, молібден, вольфрам, тантал, алюміній, титан, бор та вуглець, а також домішку цирконію, та який має 70 основу, що містить карбідну фазу, при цьому відповідно до винаходу сплав містить компоненти у такому співвідношенні, ваг. 9о: хром 12 кобальт 9 молібден 1,9 вольфрам 38 тантал 5 алюміній 3,6 титан 41 бор 0,015 вуглець 01 нікель решта, при цьому домішка цирконію становить не більше 0,02ваг.9о і сплав не містить навмисних добавок ніобію, а с ов як карбідну фазу основа сплаву містить 0,4-1,5 об'ємного відсотка фази на основі карбіду танталу.

У деяких конкретних формах виконання сплав, що заявляється, характеризується наступними суттєвими о ознаками.

Згадана деталь є компонентом газотурбінного двигуна. Згаданий компонент газотурбінного двигуна є лопаткою турбіни або напрямного апарату. Сплав має стійкість до окиснення при 10932С приблизно у 2,5 рази ду більше та термін до руйнування при випробуванні на тривалу міцність при 7602 приблизно у 2,4 разі більше порівняно з подібною деталлю, яка має номінальний склад, ваг. 90: 14 Ст, 4,9 Ті, 1,5 Мо, 3,8 МУ, 2,8 Та, З АЇ, со 9,5Со,0,018, 0,02 7т, 01 С та решта Мі. Ге»)

Заявлені сплави для колончасто-зернистих спрямовно скристалованих детал які мають принаймні гідну порівняння стійкість до окиснення відносно таких же монокристалічних деталей та стійкість до корозії о принаймні гідну порівняння з такими сплавами. Крім того, сплави за винаходом мають стійкість до окиснення, че принаймні дорівнює стійкості таких же рівновісних деталей, та принаймні таку ж стійкість до корозії. У багатьох випадках сплави цього винаходу зумовлюють те, деталі мають колончасто-зернисту спрямовно скристаловану форму та стійкість до окиснення, яка перебільшує стійкість порівнюваних деталей та сплавів у « рівновісний або монокристалічній формі.

У колончасто-зернистій формі сплав демонструє стійкість до окиснення при 10932С, принаймні, приблизно у - с 2,5 рази більшу, термін до руйнування при випробуванні на тривалу міцність при 7602С, принаймні, приблизно у ч» 2,4 рази більший, а при 9822С, принаймні, приблизно у 1,5 рази більший порівняно з подібною деталлю, яка має " номінальний склад, ваг. 9о: 14 Ст, 4,9 Ті, 1,5 Мо, 3,8 МУ, 2,8 Та, З АІ, 9,5 Со, 0,01 В, 0,02 7, 01 С та решта Мі.

Сплав за винаходом можна виливати у колончасто-зернистій спрямовно скристалованій (або

Ммонокристалічній) формі згідно зі способами за різними попередніми патентами, що є відомими у галузі. і Звичайно, зерна виливки матимуть орієнтацію, паралельну до головної осі напруження деталі, с наприклад «100», проте, можна припустити відхилення. У випадку з монокристалічною деталлю ми вважаємо, що деталі можуть містити границі з великими кутами до 202 або більше. Там, де це необхідно, склад за і, винаходом після виливання у спрямовно скристалованій формі може зазнати теплової обробки з метою о 20 поліпшення механічних властивостей сплаву шляхом регулювання розміру гама-прим-частинок згідно, наприклад, зі способами |за патентом США Мо4116723). Проте, такі деталі у вигляді виливків можуть мати с адекватну границю повзучості (залежно від їх призначення) таку, що при цьому термообробка на твердий розчин не є обов'язковою.

Інші ознаки та переваги будуть зрозумілими завдяки опису та формулі винаходу, що ілюструють варіант 22 здійснення винаходу.

ГФ) Перелік ілюстративних матеріалів

Фіг.1 - це графік, що ілюструє найкращі значення одночасного кількісного вмісту вуглецю та бору згідно з де цим винаходом. На графіку жирними крапками позначено одночасний кількісний вміст бору та вуглецю в конкретних складах сплаву, що використовували для виготовлення спрямовно скристалованих великих лопаток 60 газової турбіни. Крапки з рискою зліва угорі позначають ті значення одночасного кількісного вмісту бору та вуглецю у сплавах, при яких у відповідних хвостовиках лопаток турбін малися тріщини. Крапки без рисок позначають ті значення одночасного кількісного вмісту бору та вуглецю у сплавах, при яких тріщини були відсутніми.

Фіг2 - це діаграма, яка ілюструє стійкість до високотемпературної корозії різноманітних сплавів, бо включаючи сплави за винаходом, у порівнянні зі стійкістю до високотемпературної корозії рівновісно скристалованого сплаву ІМ 738, значення стійкості до високотемпературної корозії якого прийнято за 1. На діаграмі наведені дані щодо наступних сплавів: рівновісно скристалований сплав ІМ 738 (позначений як ІМ 738

ЕА), рівновісно скристалований сплав ЗТО0-111 (ТО 111 ЕА), спрямовно скристалований сплав (370-111 (05

СТО 111), рівновісно скристалований сплав КЕМЕ 80 (КЕМЕ 80 ЕА), рівновісно скристалований сплав ІМ 792 (ІМ 792 ЕА), спрямовно скристалований сплав модифікації 1 (МО0І 05) (склади сплавів модифікацій 1-6 наведені далі у таблиці на стор.12), спрямовно скристалований сплав модифікації 2 (МО02 05), спрямовно скристалований сплав модифікації З (МОЮЗ 05), спрямовно скристалований сплав модифікації 4 (МО0Б4 05), спрямовно скристалований сплав модифікації 5 (МОО5 05), спрямовно скристалований сплав модифікації б 7/0 «МО06 05). "МАХ" позначає максимальні значення стійкості до високотемпературної корозії відповідних сплавів, а "МІМ" - мінімальні значення.

Фіг.3 - це діаграма, яка ілюструє стійкість до окиснення різноманітних сплавів, включаючи сплави за винаходом, у порівнянні зі стійкістю до окиснення спрямовно скристалованого сплаву зТ0-111, значення терміну служби до окиснення якого прийнято за 1. На діаграмі наведені дані щодо наступних сплавів: спрямовно скристалований сплав 570-111 (позначений як О5 ТО 111), рівновісно скристалований сплав КЕМЕ 80 (КЕМЕ 80 ЕА), рівновісно скристалований сплав ІМ 792 (ІМ 792 ЕА), рівновісно скристалований сплав ІМ 738 (ІМ 738

ЕА), монокристалічний сплав ІМ 792 (ІМ 792 С), спрямовно скристалований сплав модифікації 1 (МОВІ 05), спрямовно скристалований сплав модифікації 2 (МОЮ2 05), спрямовно скристалований сплав модифікації З (МООзЗ 05), спрямовно скристалований сплав модифікації 4 (МОО0Б4 05), спрямовно скристалований сплав

Модифікації 5 (МОО5 05), спрямовно скристалований сплав модифікації 6 (МООб 05). "МАХ ТЕРМІН" позначає максимальні значення термінів служби до окиснення відповідних сплавів, а "МІМ ТЕРМІН" - мінімальні значення.

Фіг.4 - це діаграма, яка ілюструє терміни до руйнування при випробуванні поперечних зразків на тривалу міцність при 7602С та 586МПа стосовно декількох варіантів сплаву за винаходом. На діаграмі наведені дані щодо наступних зразків: зразок зі сплаву КЕМЕ 80 (позначений як КЕМЕ 80), зразок з рівновісно скристалованого с сплаву СТО-111 (СТО 111 Ед), поперечний зразок зі сплаву модифікації 1 (МОБІ Т), поперечний зразок зі сплаву модифікації 2 (МО02 Т), поперечний зразок зі сплаву модифікації З (МОЮОЗ Т), поперечний зразок зі сплаву о модифікації 4 (МО0Б4 Т), поперечний зразок зі сплаву модифікації 5 (МОО5 Т), поперечний зразок зі сплаву модифікації 6 (МООб Т). "МАХ" позначає максимальні значення термінів до руйнування відповідних зразків, а "МІМ" - мінімальні значення. Ге»)

Фіг.5 - це діаграма, яка ілюструє терміни до руйнування при випробуванні зразків на тривалу міцність, виготовлених як зі спрямовно скристалованого сплаву 5Т0О-111 (позначеного як СС ОТО 111), так і зі сплаву за со винаходом. Дані згруповані попарно для випробувань зразків із зазначених сплавів при однакових умовах, а Ге»! саме: при 8712С та 344,7МПа, при 9272С та 248,2МПа, при 9272С та 186,2МПа та при 9822С та 186,2МПа. На

Фіг.5 "МАХ" позначає максимальні значення термінів до руйнування відповідних зразків, а "МІМ" - мінімальні о з5 значення. рч-

Фіг.6 - це діаграма, яка ілюструє терміни до руйнування при випробуванні повздовжніх та поперечних зразків на тривалу міцність при 98292 та 186,2МПа стосовно декількох варіантів сплаву за винаходом. На діаграмі наведені дані щодо наступних зразків: зразок зі сплаву КЕМЕ 80 (позначений як КЕМЕ 80), повздовжній « зразок зі спрямовно скристалованого сплаву 5ТО0-111 (ТО 111 05 І), зразок з рівновісно скристалованого 4270 сплаву ЗТО-111 (ТО 111 Ед), повздовжній зразок зі сплаву модифікації 1 (МОБІ ), поперечний зразок зі сплаву - с модифікації 1 (МОБІ Т), повздовжній зразок зі сплаву модифікації 2 (МОБ2 І), поперечний зразок зі сплаву а модифікації 2 (МО02 Т), повздовжній зразок зі сплаву модифікації З (МООЗ І), поперечний зразок зі сплаву "» модифікації З (МООЗ Т), повздовжній зразок зі сплаву модифікації 4 (МО0Б4 І), поперечний зразок зі сплаву модифікації 4 (МОБ0Б4 Т), повздовжній зразок зі сплаву модифікації 5 (МОО5 І), поперечний зразок зі сплаву

Модифікації 5 (МОО5 Т), повздовжній зразок зі сплаву модифікації 6 (МООб І), поперечний зразок зі сплаву -і модифікації 6 (МООб Т). "МАХ" позначає максимальні значення термінів до руйнування відповідних зразків, а о "МІМ" - мінімальні значення.

Фіг.7 - це графік, що ілюструє терміни до руйнування при випробуванні на тривалу міцність при 7602 се) зразків, виготовлених з різноманітних сплавів, включаючи сплав за винаходом. На графіку жирними крапками со 50 позначені значення термінів до руйнування зразків з рівновісно скристалованого сплаву СТО-111 (СТО 111 Ед), кільцями - значення термінів до руйнування повздовжніх зразків зі спрямовно скристалованого сплаву (зТ0-111 іЧе) (СТО 111 051), трикутниками - значення термінів до руйнування зразків зі сплаву за винаходом, суцільною лінією - графік залежності логарифму терміну до руйнування від напруження для сплаву КЕМЕ 80, штриховою лінією - графік залежності логарифму терміну до руйнування від напруження для сплаву за винаходом.

Фіг.8 - це графік, що ілюструє терміни до руйнування при випробуванні на тривалу міцність при 9822

Ге! зразків, виготовлених з різноманітних сплавів, включаючи сплав за винаходом. На графіку жирними крапками позначені значення термінів до руйнування зразків з рівновісно скристалованого сплаву 5ТО0-111 (СТО 111 Ед), де кільцями - значення термінів до руйнування повздовжніх зразків зі спрямовно скристалованого сплаву (зТ0-111 (СТО 111 051), трикутниками - значення термінів до руйнування зразків зі сплаву за винаходом, суцільною 60 лінією - графік залежності логарифму терміну до руйнування від напруження для сплаву КЕМЕ 80, штриховою лінією - графік залежності логарифму терміну до руйнування від напруження для сплаву за винаходом.

Фіг.9 - це діаграма, що ілюструє пластичність при випробуванні поперечних зразків на повзучість до розриву. Випробування проводили при 7602С та 586МПа. На діаграмі наведені значення подовження (у 90) щодо наступних зразків: зразок з рівновісно скристалованого сплаву ЗТ0-111 (позначений як СТО 111 Ед), поперечний бо зразок зі сплаву модифікації 1 (МООІ Т), поперечний зразок зі сплаву модифікації 2 (МО02 Т), поперечний зразок зі сплаву модифікації З (МООЗ Т), поперечний зразок зі сплаву модифікації 4 (МО04 Т), поперечний зразок зі сплаву модифікації 5 (МОО5 Т), поперечний зразок зі сплаву модифікації 6 (МООб Т). "МАХ" позначає максимальні значення подовження відповідних зразків, а "МІМ" - мінімальні значення.

Докладний опис переважних варіантів здійснення винаходу

В основу цього винаходу покладено змінювання хімізму, первинно пристосованого для застосування у монокристалічних деталях, наприклад, як у загально доступному (патенті США Мо4597809)|, у сплаві, що є особливо корисним у виробництві колончасто-зернистих деталей, проте ми вважаємо, що сплав за цим винаходом можна також застосовувати у виробництві монокристалічних деталей. У колончасто-зернистій формі деталі з виливків згідно з цим винаходом характеризуються гарною стійкістю до високотемпературної корозії, 7/о гарною стійкістю до окиснення та гарними властивостями стосовно повзучості та тривалої міцності, визначеними на поздовжніх та поперечних зразках. Ми також розглядали склад сплаву, який взагалі позначається як "5ТО-111", дивіться, (наприклад, патент Великобританії Мо1511652), який застосовується у рівновісній та колончасто-зернистій формах та має номінальний склад у вагових відсотках: 14 Ст, 4,9 Ті, 1,5 Мо, 3,8 МУ, 2,8

Та, З АЇІ, 9,5 Со, 0,01 В, приблизно 0,02 77, приблизно 0,05 С та решта Мі. Ми вважаємо, що різних та /5 переважних властивостей можна досягти, серед іншого, шляхом змінювання складу монокристалічного сплаву

Іза патентом США Мо 45978091 суттєвим підвищенням рівнів вуглецю та бору (та застосовуючи максимальну кількість цирконію у сплаві), з одного боку, або шляхом змінювання номінального вмісту рівновісного/колончасто-зернистого сплаву СТО-111 суттєвим підвищенням вмісту танталу, алюмінію, молібдену та бору та суттєвим зниженням вмісту титану та хрому, з другого боку Інаприклад, у патенті Великобританії за

Ме1511652| пропонується, серед іншого, високій вміст хрому (більш ніж 13,7 вагових відсотків), відносно високий вміст кобальту (більш ніж 9,5 вагових відсотків), а також вказується на те, що прийнятним є застосування більш ніж 0,02 95 цирконію та що вміст танталу, який перебільшує 3-3,5 вагових відсотків, зумовить неприйнятну мікроструктурну нестабільність). Це є особливо вірним у випадку колончасто-зернистих деталей та разом з пильним регулюванням усього складу. с

Звичайно кращий склад цього винаходу складається по суті з, ваг. 90: 10-13,5 хрому (в ряді випадків доцільно аж до 14,595), 8-10 кобальту, 1,25-2,5 молібдену, 3,25-4,25 вольфраму (в ряді випадків доцільно аж до (8) 4,390), 4,5-6 танталу, 3,25-4,5 алюмінію, 3-4,75 титану (в ряді випадків доцільно аж до 590), 0,0025-0,025 бору, не більше 0,05 домішки цирконію, краще не більше 0,0295, 0,05-0,1595 вуглецю та не має навмисних добавок ніобію, не має навмисних добавок гафнію, а решта - це по суті нікель, де алюміній разом з титаном Ге!

Зр становлять 6,5-895. Сплав також містить 0,4-1,5 об'ємного відсотка фази на основі карбіду танталу. Більш переважно сплав містить, ваг. 90: 11-13 хрому, 8,25-9,75 кобальту, 1,5-2,25 молібдену, 3,4-4,25 вольфраму (в со ряді випадків доцільно аж до 4,395), 4,7-5,595 танталу, 3,3-495 алюмінію, 3,75-4,395 титану, 0,008-0,02595 бору, б не більше 0,04 домішки цирконію, краще не більше 0,0295, 0,05-0,15 вуглецю, краще 0,08-0,13 вуглецю, а решта - це по суті нікель, де алюміній разом з титаном становлять 7,05-895. Найбільш переважно, сплав містить, ваг. 90: і 1295 хрому, 995 кобальту, 1,995 молібдену, 3,896 вольфраму, 595 танталу, 3,695 алюмінію, 4,195 титану, 0,01595 М бору, менш ніж 0,0295 домішки цирконію, 0,1095 вуглецю, та не має ніяких навмисних добавок цирконію (окрім менш ніж 0,0295 цирконію у будь-якому випадку) та ніяких навмисних добавок ніобію, ніяких навмисних добавок гафнію, а решта - це по суті нікель.

Ми визначили, що навіть незначні добавки цирконію шкідливо впливають на ливарні якості деталі, особливо « великих деталей, таких як лопатки наземних газотурбінних двигунів. Деталі, що мають більш ніж приблизно 0,02 нт») с вагових відсотків цирконію, мають тенденцію розриватися під час охолодження та тверднення розплавленого матеріалу після точного виливання за виплавлюваними моделями. Незважаючи на іще неповну зрозумілість ;» явища, проблеми гарячого надриву вдалося запобігти там, де цирконій був присутнім у менш ніж приблизно 0,02 вагових відсотків. Отже, склад за винаходом не містить ніяких навмисних добавок цирконію, та так чи інакше на практиці допускається до приблизно 0,02 вагових відсотків, ми віддаємо перевагу меншому вмісту. Для -І вирішення проблеми гарячого надриву ми випробовували декілька складів, які включали навмисні добавки до приблизно 1,0 вагового відсотка гафнію, та з ними не вдалося запобігти проблеми гарячого надриву, та вони, як о очікується, підвищать вагу сплаву та знизять початкову температуру плавлення сплаву. Такий результат буде со також обмежувати доступний температурний діапазон для термообробки деталей на твердий розчин, особливо більш великих деталей, таких як деталі наземної газової турбіни. Отже, ми віддаємо перевагу тому, щоб сплав бо та деталі також не містили ніяких навмисних добавок гафнію.

Ге) Ряд деталей з модифікацій сплаву (далі "мод.") виготовили шляхом точного виливання за виплавлюваними моделями колончасто-зернистих деталей та якості оцінили, як описано нижче. Склади сплавів модифікацій 1-6 наведені далі у таблиці (усі склади наведено у вагових відсотках). Взагалі, склад модифікації 4 є кращим в складом серед шести перелічених нижче складів, проте, інші модифікації та інші склади у межах діапазонів за винаходом є також корисними. У кожному випадку решта складу включає нікель та невелику кількість випадкових (Ф, домішок. Наприклад, ми оптимізували рідкоплинність сплаву, при цьому не за рахунок інших властивостей, ка шляхом підвищення рівня вуглецю до приблизно 0,08 вагових відсотків та шляхом підвищення рівня бору до приблизно 0,015 вагових відсотків (див. Фіг.1). Зусилля щодо оптимізації спричиняли, частково, суттєвий бо гарячий надрив під час виливання великих деталей. Гарячий надрив вдалося знизити та запобігти, коли рівні вуглецю підвищили аж до, принаймні, приблизно 0,08 вагових відсотків. Ми були здивовані, коли проблему гарячого надриву вдалося суттєво запобігти, коли рівні вуглецю підвищили з приблизно 0,07 до 0,08 вагових відсотків. став | сг | т |ме| ж (та|лсе| в | я |в но 65 сТр-111) 14 49153828 3 95 001 00201) 0 зветаою 22|12|1в|зв| 5|55|8| 0| о (рот о

Мед п15блозвя яв 5и 38589 0005 0012007 ол

Мод? тев|лоя яз 372496 зв ввБ (000 (0015 006 ов

Мода теавоз тва тв (бив ЗБ вез(00ов 002 006 ост 70 Деталі, які підлягали оцінюванню, були виготовлені шляхом точного виливання за виплавлюваними моделями, після чого вони зазнали однакової термообробки -термообробки на твердий розчин при приблизно 11212С протягом 2 годин, потім термообробки для виділення вторинних фаз при 10792 протягом 4 годин, потім термообробки для стабілізації структури сплаву при приблизно 8432 протягом 24 годин. У деяких випадках деталі зазнали термообробки на твердий розчин при 1177 -12042С протягом більш короткого часу, проте вони 75 не демонстрували ніякого суттєвого поліпшення властивостей.

Фіг2 ілюструє відносну стійкість до високотемпературної корозії сплаву за винаходом у порівнянні з іншими сплавами, включаючи сплав СТО-111. Тестування стосовно корозії виконували при 8992 у корозійному газоподібному середовищі, яке отримали внаслідок згоряння палива еї А (у співвідношенні повітря до палива 30:1) з додаванням 2Омлн"! морської солі за А5ТМ та достатньої кількості діоксиду сірки для отримання вмісту сірки, еквівалентного 1,395 у паливі. Наведені числа позначають години, протягом яких деталі зазнавали дії, необхідної для отримання 0,025мм корозії. Як видно на Фіг.2, сплав за винаходом демонструє стійкість до корозії, що є гідною порівняння зі стійкістю до корозії 5ЗТО-111 та суттєво кращою, ніж стійкість до корозії монокристалічних сплавів з подібними складами, дивіться загально доступні |(патенти США Мо4209348 та

Мо4719080). с

Фіг.3 демонструє відносну стійкість до окиснення при 109323 пальникового пристрою, що не має покриття та о виготовленого з декількох модифікацій сплаву за винаходом та з декількох інших сплавів. Також стійкість до окиснення перебільшує стійкість до окиснення 5ТО-111, модифікація 4 має стійкість до окиснення суттєво більш високу (принаймні у 2,5 рази більшу), ніж «3Т0-111, та подібну стійкості до окиснення монокристалічного сплаву

Іза патентом США Мо4597809). Підвищення вмісту алюмінію та зниження вмісту титану у сплаві за винаходом Ме) порівняно з СТО-111 у більшій мірі зумовлює більш значну стійкість до окиснення сплаву за винаходом. со

Час, необхідний для досягнення деформації повзучості у 195, тестували на зразках (у багатьох випадках як поздовжніх, так і поперечних) при 7602 при застосуванні напруження 586МПа та при 9822С при застосуванні (22) напруження 186,2МПа. Результати зображено на Фіг.4-8. Знов, сплав за винаходом демонстрував подовжені с порівняно зі сплавом 370-111 терміни до руйнування при випробуванні на тривалу міцність. 3о Для декількох модифікацій також визначили пластичність при випробуванні поперечних зразків на повзучість - до досягнення розриву, як зображено на Фіг.9. Мінімальне подовження при руйнуванні (див. Фіг.9) становило принаймні біля 595. Очікується, що така пластичність, яка визначається на поперечних зразках, дозволить отримати матеріал, що буде більш стійким до утворення тріщин у виливках. «

Взагалі, цей винахід базується на модифікуванні або опублікованого складу для колончасто-зернистої деталі з попереднього рівня техніки, або опублікованого складу для монокристалічної деталі з попереднього рівня З с техніки. Порівняно з колончасто-зернистою деталлю з попереднього рівня техніки цей винахід включає, серед з» іншого, суттєво підвищений вміст танталу, алюмінію та молібдену та суттєво знижений вміст титану та хрому.

Порівняно з монокристалічною деталлю з попереднього рівня техніки цей винахід включає, серед іншого, обачну кількість бору та вуглецю, при цьому контролюється присутність цирконію (кожен з яких, певно, не охоплюється сплавом з попереднього рівня техніки). У будь-якому випадку сплав за винаходом та деталі, що виготовляються - з цього сплаву, демонструють гарну комбінацію стійкості до окиснення, стійкості до корозії та стійкості до

Га руйнування при випробуванні на повзучість до досягнення розриву при різних температурах.

Слід розуміти, що цей винахід не обмежується певними варіантами здійснення, продемонстрованими та ісе) описаними тут, та можна здійснити різні зміни та модифікації, які не відходять від духу та об'єму цієї нової

Го) 20 концепції, яку визначено у наступній формулі винаходу. іЧе)

Claims (17)

Формула винаходу

1. Спрямовано скристалізована деталь з високоміцного, корозійностійкого та стійкого до окиснення ГФ! суперсплаву на основі нікелю, який містить хром, кобальт, молібден, вольфрам, тантал, алюміній, титан, бор та вуглець, а також домішку цирконію, та який має основу, що містить карбідну фазу, яка відрізняється тим, що ко сплав містить компоненти у такому співвідношенні, мас. бо: бо хром 10 - 13,5 кобальт 8-10 молібден 1,25 - 2,5 вольфрам 3,25 - 4,25 тантал 4,5-6 б5 алюміній 3,25 - 4,5 титан 3-4,75 бор 0,0025 - 0,025 вуглець 0,05 - 0,15 нікель решта, я й год при цьому алюміній разом з титаном становлять 6,5 - 895, сплав не містить навмисних добавок ніобію та навмисних добавок гафнію, домішка цирконію становить не більше 0,05 мас. 9Уо, а як карбідну фазу основа сплаву містить 0,4 - 1,5 об'ємного відсотка фази на основі карбіду танталу.

2. Деталь за п. 1, яка відрізняється тим, що вона є колончасто-зернистою спрямовано скристалізованою. 70 З.

Деталь за п. 2, яка відрізняється тим, що вона має пластичність, яка визначається на поперечному зразку, яка перебільшує 595 при 7602С та при 982260.

4. Деталь за п. 1, яка відрізняється тим, що вона є монокристалічною деталлю, яка містить границі з великими кутами до принаймні приблизно 202,

5. Деталь за п. 1, яка відрізняється тим, що вона має стійкість до руйнування при випробуванні на повзучість до досягнення розриву достатню для того, щоб навантаження, що становить приблизно 186,2 МПа, руйнувало деталь тільки більш ніж через 45 годин та також має час досягнення деформації повзучості у 195, що становить більш ніж 15 годин при 98226.

6. Деталь за п. 5, яка відрізняється тим, що руйнування при випробуванні на повзучість до досягнення розриву виникає лише після більш ніж 85 годин.

7. Деталь за п. 1, яка відрізняється тим, що сплав містить компоненти у такому співвідношенні, мас. бо: хром 11-13 кобальт 8,25 - 9,75 молібден 1,5 - 2,25 с вольфрам 3,4 - 4,25 о тантал Ат - 5,5 алюміній 3,3-4 титан 3,75-43 бор 0,008 - 0,025 Ф вуглець 0,05 - 0,15 нікель решта, со (22) при цьому алюміній разом з титаном становлять 7,05 - 895, а домішка цирконію становить не більше 0,04 мас. о, со

8. Деталь за п. 7, яка відрізняється тим, що у сплаві вуглець становить 0,08 - 0,13 мас. 95, а домішка ї- цирконію становить не більше 0,02 мас. 90.

9. Деталь за п. 1, яка відрізняється тим, що сплав містить компоненти у такому співвідношенні, мас. бо: хром 12 « кобальт 9 -о молібден 1,9 с вольфрам 3,8 :з» тантал 5 алюміній 3,6 титан 41 -І бор 0,015 вуглець Гео) і нікель решта, ісе) ! ! ! а домішка цирконію становить не більше 0,02 мас. 95. (ог)

10. Деталь за п. 1, яка відрізняється тим, що вона є деталлю газотурбінного двигуна. Ге)

11. Деталь за п. 10, яка відрізняється тим, що вона є лопаткою турбіни або соплового напрямного апарата.

12. Деталь за будь-яким з пп. 1-11, яка відрізняється тим, що вона має принаймні гідну порівняння вимірювану при 871 9С стійкість до високотемпературної корозії та вимірювану при 10939 стійкість до Окиснення, яка принаймні удвічі перебільшує стійкість до окиснення спрямовано скристалізованої деталі, що має номінальний склад, мас. 90: 14 Ст, 4,9 Ті, 1,5 Мо, 3,8 МУ, 2,8 Та, З АІ, 9,5 Со, 0,01 В, 0,02 7т, 0,1 С та решта Мі. Ф)

13. Деталь за п. 1 або п. 12, яка відрізняється тим, що вона має стійкість до окиснення при 109323 приблизно ка у 2,5 рази більшу та термін до руйнування при випробуванні на тривалу міцність при 7602 приблизно у 2,4 рази більший, а при 98292 принаймні приблизно у 1,5 рази більший порівняно з подібною деталлю, яка має 60 номінальний склад, мас. 90: 14 Ст, 4,9 Ті, 1,5 Мо, 3,8 МУ, 2,8 Та, З АІ, 9,5 Со, 0,01 В, 0,02 7т, 0,1 С та решта Мі.

14. Високоміцний, корозійностійкий та стійкий до окиснення суперсплав на основі нікелю для колончасто-зернистих спрямовано скристалізованих деталей, який містить хром, кобальт, молібден, вольфрам, тантал, алюміній, титан, бор та вуглець, а також домішку цирконію, та який має основу, що містить карбідну фазу, який відрізняється тим, що він містить компоненти у такому співвідношенні, мас. 90: б5 хром 12 кобальт 9 молібден 1,9 вольфрам 3,8 тантал 5 алюміній 3,6 титан 41 бор 0,015 вуглець 01 нікель решта, при цьому домішка цирконію становить не більше 0,02 мас. 95 і сплав не містить навмисних добавок ніобію, а як карбідну фазу основа сплаву містить 0,4 - 1,5 об'ємного відсотка фази на основі карбіду танталу.

15. Сплав за п. 14, який відрізняється тим, що згадана деталь є компонентом газотурбінного двигуна.

16. Сплав за п. 15, який відрізняється тим, що згаданий компонент газотурбінного двигуна є лопаткою турбіни або соплового напрямного апарата.

17. Сплав за будь-яким з пп. 14 - 16, який відрізняється тим, що він має стійкість до окиснення при 109390 приблизно у 2,5 рази більшу та термін до руйнування при випробуванні на тривалу міцність при 7602 приблизно у 2,4 рази більший порівняно з подібною деталлю, яка має номінальний склад, мас. 90: 14 Ст, 4,9 Ті, 1,5 Мо, 3,8 М, 2,8 Та, З АІ, 9,5 Со, 0,01 В, 0,02 2т, 0,1 С та решта Мі. с щі 6) (о) (ее) (о) (зе) і - -

с . и? -І (95) се) Ге» ШИН іЧе) іме) 60 б5