WO2008108688A1 - Composition of a heat-resisting nickel-based alloy used for single crystal casting (variants) - Google Patents

Composition of a heat-resisting nickel-based alloy used for single crystal casting (variants) Download PDF

Info

Publication number
WO2008108688A1
WO2008108688A1 PCT/RU2008/000129 RU2008000129W WO2008108688A1 WO 2008108688 A1 WO2008108688 A1 WO 2008108688A1 RU 2008000129 W RU2008000129 W RU 2008000129W WO 2008108688 A1 WO2008108688 A1 WO 2008108688A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
nickel
alloy
heat
tungsten
tantalum
Prior art date
Application number
PCT/RU2008/000129
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Yrii Sergeevich Eliseev
Igor Mikhailovich Razumovskii
Valerii Aleksandrovich Poklad
Olga Gennadievna Ospennikova
Valentin Nikolaevich Larionov
Aleksandr Vyacheslavovich Logunov
Original Assignee
Federalnoe Gosudarstvennoe Unitarnoe Predpriyatie 'moskovskoe Mashinostroitelnoe Proizvodstvennoe Predpriyatie 'salut'
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Federalnoe Gosudarstvennoe Unitarnoe Predpriyatie 'moskovskoe Mashinostroitelnoe Proizvodstvennoe Predpriyatie 'salut' filed Critical Federalnoe Gosudarstvennoe Unitarnoe Predpriyatie 'moskovskoe Mashinostroitelnoe Proizvodstvennoe Predpriyatie 'salut'
Publication of WO2008108688A1 publication Critical patent/WO2008108688A1/en

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C19/00Alloys based on nickel or cobalt
    • C22C19/03Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
    • C22C19/05Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium
    • C22C19/051Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W
    • C22C19/057Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W with the maximum Cr content being less 10%

Definitions

  • the invention relates to metallurgy of alloys, namely to the production of nickel-based alloys used for parts with a single crystal structure, for example, turbine blades operating at high temperatures.
  • the technical result, to which the claimed invention is directed, is to increase the heat resistance of nickel alloys for single crystal casting, for example, gas turbine engine blades.
  • the heat-resistant nickel alloy contains chromium, aluminum, tungsten, tantalum, cobalt, yttrium, cerium, lanthanum and nickel in the following ratio of components (wt.%): Chromium - 0.5-4.0 aluminum - 4 , 0-7.0 tungsten - 12.0-16.0 tantalum - 3.0-12.0 cobalt - 4.0-9.0 yttrium - 0.003-0.1 lanthanum - 0.001 - 0.1 cerium - 0.003 - 0.1 nickel - the rest is up to 100%.
  • the technical result to which the claimed invention is directed according to the second embodiment is to increase the heat resistance of nickel alloys for single crystal casting, for example, gas turbine engine blades, improve the casting properties of the alloy, its technological plasticity and increase the corrosion resistance of the claimed alloy.
  • the specified technical result is achieved in that the heat-resistant nickel alloy containing chromium, aluminum, titanium, molybdenum, tungsten, tantalum, cobalt, niobium, yttrium, lanthanum, cerium and nickel, additionally contains carbon, in the following ratio (wt.%): Chromium - 0.5-4.0
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) aluminum - 4.0-7.0 titanium ⁇ 2.0 molybdenum ⁇ 4.0 tungsten - 12.0-16.0 tantalum - 3.0-12.0 cobalt 4.0-9.0 niobium ⁇ 2.0 yttrium - 0.003 - 0.1 lanthanum - 0.001 - 0.1 cerium - 0.003-0.1 carbon ⁇ 0, 1 nickel - the rest is up to 100%.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) The authors analyzed the alloying system of heat-resistant nickel alloys in terms of the binding energy (cohesion energy) of the alloying elements. Considering the binding energy of elements as a fundamental parameter that determines the level of mechanical properties and operational characteristics of the material, the distribution of alloying elements of heat-resistant alloys by the values of binding energy for a generalized alloying system of nickel heat-resistant alloys: Ni, Co, Cr, V, Ti, Al, Ru, Mo, Nb, Zr, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) the highest possible level when its maximum content is limited by the solubility of tungsten in the nickel alloy. It should be borne in mind that tungsten or rhenium substitution with tungsten is impractical, since the cohesive strength of the alloy will not increase with such a replacement.
  • the next element for alloying nickel heat-resistant alloys is tantalum. It is advisable to introduce tantalum into heat-resistant alloys against the background of a high tungsten content, controlling the possibility of the release of Ta-containing intermediate phases in the alloy.
  • a feature of the inventive alloy according to the first embodiment is a high tungsten content in the range from 12.0 to 16.0 wt.%.
  • the upper limit of the tungsten content limits the concentration range, beyond which increases the likelihood of tungsten precipitation from the solid solution in the form of an ⁇ -phase, which is not
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) by such an effective hardener as the ⁇ '-phase based on Ni ⁇ l, and when the tungsten content is below 12 wt.%, its stabilizing effect on the structure and a favorable effect on heat resistance are weakened.
  • the claimed amount of tantalum is introduced into the composition of the heat-resistant nickel alloy against the background of a high tungsten content.
  • the alloying system of the inventive alloy (KC-I) is balanced in such a way that the ⁇ -phase is not released in the alloy despite the fact that tantalum, like tungsten, has a bcc lattice.
  • the effect of tantalum on the properties of the claimed alloy is largely similar to the effect of tungsten, tantalum is also characterized by high cohesive strength, which is also characteristic of the alloy, claimed in a given ratio of components. Tantalum is distributed between the ⁇ -matrix and the hardening ⁇ '-phase, stabilizing and strengthening both main phases of the heat-resistant alloy.
  • the introduction of the inventive composition of the heat-resistant alloy of the claimed amount of chromium is due to the need to increase its heat resistance. With an increase in the chromium content above 4 wt.%, The probability of the formation of a topologically close packed (TPU) phase based on chromium increases, which embrittle the alloy.
  • TPU topologically close packed
  • the alloying of the alloy with cobalt in the claimed amounts is due to the need to improve the technological characteristics of the alloy - technological plasticity and casting properties, as well as corrosion resistance.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26)
  • the system of microalloying additives namely the combined use of lanthanum, yttrium and cerium in the claimed amounts provides stabilization of structural defects in the single crystals of the inventive alloy, and together with other components of the alloy composition provides increased heat resistance compared to the prototype.
  • a feature of the inventive alloy in the second embodiment is the similarity of the effects of tungsten, tantalum, cobalt and a system of microalloying additives (yttrium, lanthanum and cerium), but besides this, the properties of the inventive alloy in the second embodiment are affected by the presence of titanium, molybdenum, niobium and carbon in its composition.
  • Aluminum and titanium are the main ⁇ 'forming elements, the amount of which on the one hand ensures the formation of the necessary content of the strengthening ⁇ ' phase, and on the other hand, limits the volume of excess eutectic ( ⁇ '+ ⁇ ) and contributes to an increase in the corrosion resistance of the alloy.
  • Niobium and molybdenum - provide increased material durability in the temperature range of ⁇ 1000 0 C. Carbon is introduced into the alloy to form the second hardening phase of heat-resistant alloys - carbides. The total content in the inventive alloy of carbon and carbide-forming elements ensures the absence of embrittlement TPU phases.
  • the inventive composition of heat-resistant nickel alloy according to the second option in quantitative and qualitative composition provides, along with increased heat resistance, improved casting properties of the alloy and its technological ductility and increased corrosion resistance.
  • Embodiments of the invention SUBSTITUTE SHEET (RULE 26)
  • alloys were cast according to the first and second variants. Alloy casting was carried out in a Kristall vacuum induction furnace with a capacity of 5-10 kg.
  • the order of introduction of the components of the claimed alloy compositions is standard: nickel, chromium, cobalt, tungsten, molybdenum, tantalum, carbon, melting, carbon deoxidation, the subsequent introduction of titanium, aluminum and microalloying additives (elements with high oxygen activity) and casting.
  • T 900 ° C
  • ⁇ yo 467 MPa
  • ⁇ 500 371 MPa
  • T 900 ° C
  • ⁇ yo 440 MPa
  • ⁇ soo 35OMPa
  • T 900 ° C
  • ⁇ yo 471 MPa
  • ⁇ 5 ⁇ o 379 MPa
  • test results show that, compared with the prototype of the inventive alloys according to the first and second options ensure the achievement of the claimed technical result.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

The invention relates tometallurgy, in particular to cast heat resisting nickel-based alloys used for producing rotor and nozzle blades of gas-turbine engines operating for a long time at temperatures greater than 1000°C. In the first variant the inventive alloy is chatracterised by the high heat resistance which does not affect the processing characteristics thereof such as coulability and processing plasticity and contains, in mass%: 0.5-4.0 chromium, 4.0-7.0 aluminium, 12.0-16.0 tungsten, 3.0-12.0 tantalum, 4.0-9.0 cobalt, 0.003-0.1 yttrium, 0.001-0.1 lanthanum, 0.003-0.1 cerium, the rest being nickel. In the second variant, in addition to the increased heat resistance and the improved coulability and processing plasticity, the inventive alloy exhibits the high corrosion resistance and contains, in mass%: 0.5-4.0 chromium, 4.0-7.0 aluminium, ≤ 2.0 titanium, ≤ 4.0 molybdenum, 12.0-16.0 tungsten, 3.0-12.0 tantalum, 4.0-9.0 cobalt, ≤ 2.0 niobium, 0.003-0.1 yttrium, 0.001-0.1 lanthanum, 0.003-0.1 cerium, ≤ 0.1 carbon, the rest being nickel.

Description

Состав жаропрочного никелевого сплава для монокристального литья Composition of heat resistant nickel alloy for single crystal casting
(варианты).(options).
Область техники.The field of technology.
Изобретения относятся к металлургии сплавов, а именно к производству сплавов на основе никеля, используемых для деталей с монокристаллической структурой, например, лопаток турбин, работающих при высоких температурах.The invention relates to metallurgy of alloys, namely to the production of nickel-based alloys used for parts with a single crystal structure, for example, turbine blades operating at high temperatures.
Предшествующий уровень техники.The prior art.
Известен никелевый жаропрочный сплав для монокристального литья CMSX-2 содержащий (мac.%): хром - 8,0, кобальт 5,0, алюминий 5,6, вольфрам - 8,0, молибден - 0,6, тантал - 6,0, титан - 1,0, никель - остальное до 100%. («Tpyды международной научно-технической конференции 25-26 апреля 2006г., M.:BИAM, 2006г, стр.43, табл. l) - аналог.Known nickel-resistant high-temperature alloy for single crystal casting CMSX-2 containing (wt.%): Chromium - 8.0, cobalt 5.0, aluminum 5.6, tungsten - 8.0, molybdenum - 0.6, tantalum - 6.0 , titanium - 1.0, nickel - the rest is up to 100%. (“Types of the international scientific and technical conference April 25-26, 2006, M.:BIAM, 2006, p. 43, table. L) - analogue.
Недостатком данного решения является низкая жаропрочность, например, предел длительной прочности сплава σЮ0looo=214 МПа (Сборник «Литeйныe жаропрочные cплaвы» под ред Каблова E.H., M. Наука, 2006г, cтp.74, тaбл.9).The disadvantage of this solution is the low heat resistance, for example, the long-term strength of the alloy σY0 looo = 214 MPa (Collection “Foundry heat-resistant alloys” edited by Kablova EH, M. Nauka, 2006, p. 74, table 9).
Известен никелевый жаропрочный сплав ЖC-40, содержащий хром - 6,0, алюминий 5,0-5,8, вольфрам 6,0-7,8, тантал - 6,0-7,8, молибден - 3,5-4,8, кобальт - 5,0, ниобий - 0,05-0,50, никель - остальное до 100% («Литыe лопатки газотурбинных двигателей)), Москва, МИСИС, 2001г., стр.53, тaбл.2.3.) - прототип.Known nickel-resistant alloy ZhC-40, containing chromium - 6.0, aluminum 5.0-5.8, tungsten 6.0-7.8, tantalum - 6.0-7.8, molybdenum - 3.5-4 , 8, cobalt - 5.0, niobium - 0.05-0.50, nickel - the rest is up to 100% ("Cast blades of gas turbine engines)), Moscow, MISIS, 2001, p. 53, table 2.3.) - prototype.
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) Недостатком известного монокристального сплава с ориентацией [001] предназначенного для изготовления высоконагруженных деталей, например, лопаток газовых турбин, работающих при температуре до 10000C, также является недостаточная для заявляемой области применения жаропрочность (σЮ0looo~ 240 МПа).SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) A disadvantage of the known single crystal alloy with orientation [001] intended for the manufacture of highly loaded parts, for example, gas turbine blades operating at temperatures up to 1000 0 C, is also insufficient heat resistance for the claimed field of application (σY0 looo ~ 240 MPa).
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является повышение жаропрочности никелевых сплавов для монокристального литья, например, лопаток газотурбинных двигателей.The technical result, to which the claimed invention is directed, is to increase the heat resistance of nickel alloys for single crystal casting, for example, gas turbine engine blades.
Заявляемый технический результат достигается тем, что никелевый жаропрочный сплав содержит хром, алюминий, вольфрам, тантал, кобальт, иттрий, церий, лантан и никель в следующем соотношении компонентов (мac.%): хром - 0,5-4,0 алюминий - 4,0-7,0 вольфрам - 12,0-16,0 тантал - 3,0-12,0 кобальт - 4,0-9,0 иттрий - 0,003-0,1 лантан - 0,001 - 0,1 церий - 0,003 - 0,1 никель - остальное до 100%.The claimed technical result is achieved in that the heat-resistant nickel alloy contains chromium, aluminum, tungsten, tantalum, cobalt, yttrium, cerium, lanthanum and nickel in the following ratio of components (wt.%): Chromium - 0.5-4.0 aluminum - 4 , 0-7.0 tungsten - 12.0-16.0 tantalum - 3.0-12.0 cobalt - 4.0-9.0 yttrium - 0.003-0.1 lanthanum - 0.001 - 0.1 cerium - 0.003 - 0.1 nickel - the rest is up to 100%.
Известен никелевый жаропрочный сплав для монокристального литья CMSX-2 содержащий (мac.%): хром - 8,0, кобальт 5,0, алюминий 5,6, вольфрам - 8,0, молибден - 0,6, тантал - 6,0, титан - 1,0, никель - остальное до 100%.(«Tpyды международной научно-технической конференции 25-26 апреля 2006г., M.:BИAM, 2006г, cтp.43, табл. l .) - аналог.Known nickel-resistant high-temperature alloy for single crystal casting CMSX-2 containing (wt.%): Chromium - 8.0, cobalt 5.0, aluminum 5.6, tungsten - 8.0, molybdenum - 0.6, tantalum - 6.0 , titanium - 1.0, nickel - the rest is up to 100%. (“Types of the international scientific and technical conference April 25-26, 2006, M.:BIAM, 2006, p. 43, table l.) - analogue.
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) Недостатком данного решения является низкая жаропрочность, например, предел длительной прочности сплава σl00looo= 214 МПа (Сборник « Литейные жаропрочные cплaвы» под ред Каблова E.H., M. Наука, 2006г, стр.74, тaбл.9).SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) The disadvantage of this solution is low heat resistance, for example, the long-term strength of the alloy σl00 looo = 214 MPa (Collection “Foundry heat-resistant alloys” edited by Kablova EH, M. Nauka, 2006, p. 74, table 9).
Известен никелевый жаропрочный сплав ЖC-40, содержащий хром - 6,0, алюминий 5,0-5,8, вольфрам 6,0-7,8, тантал - 6,0-7,8, молибден - 3,5-4,8, кобальт - 5,0, ниобий - 0,05-0,50, никель - остальное до 100% («Литыe лопатки газотурбинных двигателей)), Москва, МИСИС, 2001г., cтp.53, тaбл.2.3.) - прототип.Known nickel-resistant alloy ZhC-40, containing chromium - 6.0, aluminum 5.0-5.8, tungsten 6.0-7.8, tantalum - 6.0-7.8, molybdenum - 3.5-4 , 8, cobalt - 5.0, niobium - 0.05-0.50, nickel - the rest is up to 100% (“Cast blades of gas turbine engines)), Moscow, MISIS, 2001, p.53, table 2.3.) - prototype.
Недостатком известного монокристального сплава с ориентацией [001] предназначенного для изготовления высоконагруженных деталей, например, лопаток газовых турбин, работающих при температуре до 10000C, является недостаточная коррозионная стойкость, технологическая пластичность , а также недостаточная для заявляемой области применения жаропрочность (σl00looo~ 240 МПа).A disadvantage of the known single crystal alloy with orientation [001] intended for the manufacture of highly loaded parts, for example, gas turbine blades operating at temperatures up to 1000 0 C, is insufficient corrosion resistance, technological plasticity, and also insufficient heat resistance for the claimed field of application (σl00 looo ~ 240 MPa).
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение по второму варианту, является повышение жаропрочности никелевых сплавов для монокристального литья, например, лопаток газотурбинных двигателей, улучшение литейных свойств сплава, его технологической пластичности и повышение коррозионной стойкости заявляемого сплава.The technical result to which the claimed invention is directed according to the second embodiment is to increase the heat resistance of nickel alloys for single crystal casting, for example, gas turbine engine blades, improve the casting properties of the alloy, its technological plasticity and increase the corrosion resistance of the claimed alloy.
Указанный технический результат достигается тем, что никелевый жаропрочный сплав содержащий хром, алюминий, титан, молибден, вольфрам, тантал, кобальт, ниобий, иттрий, лантан, церий и никель, дополнительно содержит углерод, при следующем соотношении компонентов (мac.%): хром - 0,5-4,0The specified technical result is achieved in that the heat-resistant nickel alloy containing chromium, aluminum, titanium, molybdenum, tungsten, tantalum, cobalt, niobium, yttrium, lanthanum, cerium and nickel, additionally contains carbon, in the following ratio (wt.%): Chromium - 0.5-4.0
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) алюминий - 4,0-7,0 титан < 2,0 молибден≤ 4,0 вольфрам - 12,0-16,0 тантал - 3,0-12,0 кобальт 4,0-9,0 ниобий < 2,0 иттрий - 0,003 - 0,1 лантан - 0,001 - 0,1 церий - 0,003-0,1 углерод <0, 1 никель - остальное до 100%.SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) aluminum - 4.0-7.0 titanium <2.0 molybdenum ≤ 4.0 tungsten - 12.0-16.0 tantalum - 3.0-12.0 cobalt 4.0-9.0 niobium <2.0 yttrium - 0.003 - 0.1 lanthanum - 0.001 - 0.1 cerium - 0.003-0.1 carbon <0, 1 nickel - the rest is up to 100%.
Раскрытие изобретения.Disclosure of the invention.
Как известно, успехи в разработке высокожаропрочных никелевых сплавов последних поколений в значительной мере связаны с легированием сплавов большим количеством рения, например, 9,3 мac.% в сплаве ЖC-47, и/или рутения, например, 6 мac.% в сплаве TMS- 162 (Е.Н. Каблов, Н.В. Петрушин «Coвpeмeнныe литые никелевые жаропрочные cплaвы», Сборник трудов Международной технической конференции, M., BHAM, 2006г., c.43). Однако, в связи с тем, что рений и особенно рутений являются очень дорогими и дефицитными металлами, возникает вопрос о том, полностью ли исчерпаны возможности улучшения жаропрочных сплавов, в том числе и никелевых, путем их легирования традиционными, менее дорогими и более доступными элементами, например, такими как вольфрам, тантал и другими.As you know, successes in the development of high-temperature nickel alloys of the latest generations are largely associated with alloying alloys with a large amount of rhenium, for example, 9.3 wt.% In ZhC-47 alloy, and / or ruthenium, for example, 6 wt.% In TMS - 162 (E.N. Kablov, N.V. Petrushin “Modern alloyed nickel heat-resistant alloys”, Proceedings of the International Technical Conference, M., BHAM, 2006, p. 43). However, due to the fact that rhenium and especially ruthenium are very expensive and scarce metals, the question arises as to whether the possibilities of improving heat-resistant alloys, including nickel, by alloying them with traditional, less expensive and more affordable elements are completely exhausted, for example, such as tungsten, tantalum and others.
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) Авторами проведен анализ системы легирования жаропрочных никелевых сплавов с точки зрения значений энергии связи (энергии когезии) легирующих элементов. Рассматривая энергию связи элементов фундаментальным параметром, определяющим уровень механических свойств и эксплуатационных характеристик материала, установлено распределение легирующих элементов жаропрочных сплавов по значениям энергии связи для обобщенной системы легирования никелевых жаропрочных сплавов: Ni, Со, Cr, V, Ti, Al, Ru, Mo, Nb, Zr, Hf, Та, W, Re, Os, Ir.SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) The authors analyzed the alloying system of heat-resistant nickel alloys in terms of the binding energy (cohesion energy) of the alloying elements. Considering the binding energy of elements as a fundamental parameter that determines the level of mechanical properties and operational characteristics of the material, the distribution of alloying elements of heat-resistant alloys by the values of binding energy for a generalized alloying system of nickel heat-resistant alloys: Ni, Co, Cr, V, Ti, Al, Ru, Mo, Nb, Zr, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir.
Полученная диаграмма распределения легирующих элементов по значениями энергии связи (энергии когезии) приведена на фиг 1.The resulting distribution diagram of alloying elements according to the values of the binding energy (cohesion energy) is shown in Fig 1.
При анализе приведенных на диаграмме данных будем предполагать, что вклад в энергию связи сплава конкретного легирующего элемента, например, тантала, прямо пропорционален величине его собственной энергии связи и содержанию данного элемента в сплаве в атомных процентах. При этом обязательно наличие в сплаве основного γ '-образующего элемента - алюминия, причем его содержание позволяет обеспечивать образование необходимого количества упрочняющей γ'-фазы, выделяющейся при распаде пересыщенного твердого раствора.When analyzing the data presented in the diagram, we will assume that the contribution to the binding energy of the alloy of a particular alloying element, for example, tantalum, is directly proportional to the value of its own binding energy and the content of this element in the alloy in atomic percent. In this case, the presence of the main γ ′ -forming element, aluminum, is mandatory in the alloy, and its content allows the formation of the necessary amount of the strengthening γ′-phase released during the decomposition of the supersaturated solid solution.
С учетом вышеизложенного, базовой системой никелевых жаропрочных сплавов будем считать Ni-Al с возможностью замещения некоторого количества алюминия титаном.In view of the foregoing, we will consider Ni-Al with the possibility of replacing a certain amount of aluminum with titanium as the basic system of nickel refractory alloys.
Результаты, представленные на диаграмме, показывают, что первым элементом, способствующим наибольшему повышению энергии связи никеля, следует считать вольфрам. Поэтому базовая система никелевых жаропрочных сплавов в первую очередь должна содержать вольфрам, причем его количество целесообразно держать наThe results presented in the diagram show that tungsten should be considered the first element contributing to the greatest increase in nickel binding energy. Therefore, the basic system of heat-resistant nickel alloys should primarily contain tungsten, and its amount should be kept at
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) максимально возможном высоком уровне, когда его предельное содержание ограничено величиной растворимости вольфрама в никелевом сплаве. При этом следует иметь в виду, что замена вольфрами танатлом или рением нецелесообразна, так как когезивная прочность сплава при такой замене повышаться не будет.SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) the highest possible level when its maximum content is limited by the solubility of tungsten in the nickel alloy. It should be borne in mind that tungsten or rhenium substitution with tungsten is impractical, since the cohesive strength of the alloy will not increase with such a replacement.
Следующий элемент для легирования никелевых жаропрочных сплавов - тантал. Тантал целесообразно вводить в жаропрочные сплавы на фоне высокого содержания вольфрама, контролируя возможность выделения в сплаве Та-содержащих промежуточных фаз.The next element for alloying nickel heat-resistant alloys is tantalum. It is advisable to introduce tantalum into heat-resistant alloys against the background of a high tungsten content, controlling the possibility of the release of Ta-containing intermediate phases in the alloy.
Использование принципа многокомпонентного легирования в данном случае целесообразно потому, что это позволяет увеличить в жаропрочных сплавах суммарное содержание легирующих элементов с высокой когезивной прочностью, обеспечивая максимальное упрочнение всего сплава.The use of the principle of multicomponent alloying in this case is advisable because it allows to increase the total content of alloying elements with high cohesive strength in heat-resistant alloys, providing maximum hardening of the entire alloy.
При анализе диаграммы, представленной на фиг.l, обращает на себя внимание следующее: обязательный компонент последних модификаций жаропрочных сплавов - рутений, почти аналогичен молибдену. Среди γ '-образующих элементов, которые могут способствовать повышению когезивной прочности жаропрочных сплавов, кроме уже рассмотренного тантала, следует отметить титан и ниобий.When analyzing the diagram presented in Fig. L, the following is noteworthy: the obligatory component of the latest modifications of heat-resistant alloys - ruthenium, is almost similar to molybdenum. Among the γ '-forming elements, which can increase the cohesive strength of heat-resistant alloys, in addition to the tantalum already considered, titanium and niobium should be noted.
На основе вышеизложенного, авторами были разработаны заявляемые сплавы.Based on the foregoing, the authors have developed the inventive alloys.
Особенностью заявляемого сплава по первому варианту (KC-I) является высокое содержание вольфрама в пределах от 12,0 до 16,0 мac.%. Верхний предел содержания вольфрама ограничивает область концентраций, при выходе за которую возрастает вероятность выделения вольфрама из твердого раствора в виде α-фазы , которая не являетсяA feature of the inventive alloy according to the first embodiment (KC-I) is a high tungsten content in the range from 12.0 to 16.0 wt.%. The upper limit of the tungsten content limits the concentration range, beyond which increases the likelihood of tungsten precipitation from the solid solution in the form of an α-phase, which is not
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) таким эффективным упрочнителем, как γ'-фаза на основе NiЗАl, а при содержании вольфрама ниже 12 мac.% его стабилизирующее воздействие на структуру и благоприятное влияние на жаропрочность ослабляется.SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) by such an effective hardener as the γ'-phase based on NiЗl, and when the tungsten content is below 12 wt.%, its stabilizing effect on the structure and a favorable effect on heat resistance are weakened.
Заявляемое количество тантала вводится в состав никелевого жаропрочного сплава на фоне высокого содержания вольфрама. Система легирования заявляемого сплава (KC-I) сбалансирована таким образом, чтобы в сплаве не происходило выделения α-фазы несмотря на то, что тантал так же, как и вольфрам имеет ОЦК решетку. Влияние тантала на свойства заявляемого сплава во многом сходно с влиянием вольфрама, тантал также характеризуется высокой когезивной прочностью, что характерно и для заявляемого, в заданном соотношении компонентов, сплава. Тантал распределяется между γ-матрицей и упрочняющей γ'- фазой, стабилизируя и упрочняя обе основные фазы жаропрочного сплава. При содержании тантала больше 10 мac.% возрастает вероятность его выпадения из твердого раствора в виде интерметаллидόв Ni-Ta, а при содержании - меньше 5 мac.% его воздействие на свойства заметно снижается.The claimed amount of tantalum is introduced into the composition of the heat-resistant nickel alloy against the background of a high tungsten content. The alloying system of the inventive alloy (KC-I) is balanced in such a way that the α-phase is not released in the alloy despite the fact that tantalum, like tungsten, has a bcc lattice. The effect of tantalum on the properties of the claimed alloy is largely similar to the effect of tungsten, tantalum is also characterized by high cohesive strength, which is also characteristic of the alloy, claimed in a given ratio of components. Tantalum is distributed between the γ-matrix and the hardening γ'-phase, stabilizing and strengthening both main phases of the heat-resistant alloy. When the content of tantalum is more than 10 wt.%, The probability of its precipitation from the solid solution in the form of Ni-Ta intermetallic compounds increases, and when the content is less than 5 wt.%, Its effect on the properties decreases markedly.
Введение в заявляемый состав жаропрочного сплава заявляемого количества хрома, обусловлено необходимостью повышения его жаростойкости. При увеличении содержания хрома выше 4 мac.% возрастает вероятность образования топологически-плотноупакованной (ТПУ) фазы на основе хрома, которая охрупчивает сплав.The introduction of the inventive composition of the heat-resistant alloy of the claimed amount of chromium is due to the need to increase its heat resistance. With an increase in the chromium content above 4 wt.%, The probability of the formation of a topologically close packed (TPU) phase based on chromium increases, which embrittle the alloy.
Легирование сплава кобальтом в заявляемых количествах обусловлено необходимостью улучшения технологических характеристик сплава - технологической пластичности и литейных свойств, а также стойкости к коррозии.The alloying of the alloy with cobalt in the claimed amounts is due to the need to improve the technological characteristics of the alloy - technological plasticity and casting properties, as well as corrosion resistance.
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) Система микролегирующих добавок, а именно совместное использование лантана, иттрия и церия в заявляемых количествах обеспечивает стабилизацию структурных дефектов в монокристаллах заявляемого сплава, а совместно с остальными компонентами состава сплава обеспечивает повышение жаропрочности по сравнению с прототипом.SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) The system of microalloying additives, namely the combined use of lanthanum, yttrium and cerium in the claimed amounts provides stabilization of structural defects in the single crystals of the inventive alloy, and together with other components of the alloy composition provides increased heat resistance compared to the prototype.
Особенностью заявляемого сплава по второму варианту является аналогичность влияния вольфрама, тантала, кобальта и системы микролегирующих добавок (иттрий, лантан и церий), но кроме этого на свойства заявляемого сплава по второму варианту влияет наличие в его составе титана, молибдена, ниобия и углерода.A feature of the inventive alloy in the second embodiment is the similarity of the effects of tungsten, tantalum, cobalt and a system of microalloying additives (yttrium, lanthanum and cerium), but besides this, the properties of the inventive alloy in the second embodiment are affected by the presence of titanium, molybdenum, niobium and carbon in its composition.
Алюминий и титан - это основные γ' образующие элементы, количество которых с одной стороны обеспечивает образование необходимого содержания упрочняющей γ' - фазы, а с другой стороны, ограничивает объем избыточной эвтектики (γ'+γ) и способствует повышению коррозионной стойкости сплава.Aluminum and titanium are the main γ 'forming elements, the amount of which on the one hand ensures the formation of the necessary content of the strengthening γ' phase, and on the other hand, limits the volume of excess eutectic (γ '+ γ) and contributes to an increase in the corrosion resistance of the alloy.
Ниобий и молибден - обеспечивают повышение долговечности материала в области температур ~ 10000C. Углерод вводится в состав сплава для образования второй упрочняющей фазы жаропрочных сплавов - карбидов. Суммарное содержание в заявляемом сплаве углерода и карбидообразующих элементов обеспечивает отсутствие охрупчивающих ТПУ фаз.Niobium and molybdenum - provide increased material durability in the temperature range of ~ 1000 0 C. Carbon is introduced into the alloy to form the second hardening phase of heat-resistant alloys - carbides. The total content in the inventive alloy of carbon and carbide-forming elements ensures the absence of embrittlement TPU phases.
Заявляемый состав жаропрочного никелевого сплава по второму варианту в количественном и качественном составе обеспечивает наряду с повышением жаропрочности, улучшением литейных свойств сплава и его технологической пластичности и повышение коррозионной стойкости.The inventive composition of heat-resistant nickel alloy according to the second option in quantitative and qualitative composition provides, along with increased heat resistance, improved casting properties of the alloy and its technological ductility and increased corrosion resistance.
Варианты осуществления изобретения. ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) Для апробации результатов были отлиты сплавы по первому и второму вариантам. Отливка сплавов осуществлялась в вакуумно- индукционной печи «Kpиcтaлл» емкостью 5-10 кг. Порядок введения компонентов заявляемых составов сплавов является стандартным: никель, хром, кобальт, вольфрам, молибден, тантал, углерод, плавление, раскисление углеродом, последующее введение титана, алюминия и микролегирующих добавок (элементы с высокой активностью к кислороду) и разливка.Embodiments of the invention. SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) To test the results, alloys were cast according to the first and second variants. Alloy casting was carried out in a Kristall vacuum induction furnace with a capacity of 5-10 kg. The order of introduction of the components of the claimed alloy compositions is standard: nickel, chromium, cobalt, tungsten, molybdenum, tantalum, carbon, melting, carbon deoxidation, the subsequent introduction of titanium, aluminum and microalloying additives (elements with high oxygen activity) and casting.
Для апробации сплава по первому варианту были выплавлены два состава сплава (один заявляемый и один сплав прототип - ЖC-40), содержащие компоненты (в мac.%) приведенные в Таблице 1.To test the alloy according to the first embodiment, two alloy compositions were melted (one of the claimed and one prototype alloy - ZhS-40) containing the components (in wt.%) Shown in Table 1.
Монокристальная структура, ориентация оси роста [001].Monocrystal structure, orientation of the growth axis [001].
Таблица 1.Table 1.
Figure imgf000011_0001
Figure imgf000011_0001
После чего литые образцы, подвергнутые высокотемпературной газостатической обработке (заявляемый сплав) и термической обработке, испытывались. Результаты испытаний: Сплав ЖC-40 (прототип): T=900°C, σюo= 440 МПа, σ500=350MПa,After that, cast samples subjected to high-temperature gas-static treatment (the inventive alloy) and heat treatment were tested. Test results: ZhS-40 alloy (prototype): T = 900 ° C, σyo = 440 MPa, σ500 = 350MPa,
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) T=IOOO0C, σюo= 240 МПа, σ500=190Mпa (Сборник «Литeйныe жаропрочные cплaвы» под ред. Каблова E.H., M. Наука, 2006г, стр.54, тaбл.2.4).SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) T = IOOO 0 C, σyuo = 240 MPa, σ500 = 190 MPa (Collection “Foundry heat-resistant alloys” edited by Kablov EH, M. Nauka, 2006, p. 54, table 2.4).
Заявляемый сплав.The inventive alloy.
T=900°C, σюo= 467 МПа, σ500=371MПa,T = 900 ° C, σyo = 467 MPa, σ500 = 371 MPa,
T-IOOO0C, σioo= 255 МПа, σsoo=2OlMпaT-IOOO 0 C, σioo = 255 MPa, σsoo = 2OlMpa
Для апробации сплава по второму варианту были выплавлены два состава сплава (один заявляемый и один сплав прототип - ЖC-40), содержащие компоненты (в мac.%) приведенные в Таблице 2.To test the alloy according to the second embodiment, two alloy compositions were melted (one of the claimed and one prototype alloy - ZhS-40) containing the components (in wt.%) Shown in Table 2.
Figure imgf000012_0001
Figure imgf000012_0001
После чего литые образцы, подвергнутые высокотемпературной газостатической обработке (заявляемый сплав) и термической обработке, испытывались.After that, cast samples subjected to high-temperature gas-static treatment (the inventive alloy) and heat treatment were tested.
Результаты испытаний:Test Results:
Сплав ЖC-40 (прототип):ZhS-40 alloy (prototype):
T=900°C, σюo= 440 МПа, σsoo=35OMПa,T = 900 ° C, σyo = 440 MPa, σsoo = 35OMPa,
T=1000°C, σюo= 240 МПа, σ5θo=19OMпaT = 1000 ° C, σyo = 240 MPa, σ5θo = 19OMpa
Заявляемый сплав.The inventive alloy.
T=900°C, σюo= 471 МПа, σ5θo=379MПa,T = 900 ° C, σyo = 471 MPa, σ5θo = 379 MPa,
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) T=IOOO0C, σюo= 252 МПа, σ500=200Mпa.SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) T = IOOO 0 C, σуo = 252 MPa, σ500 = 200 MPa.
Введение дополнительных легирующих элементов в заявляемый сплав по второму варианту приводит к уменьшению литейной пористости в междендритных областях сплава: объемная доля пор уменьшается на 20-30% по сравнению с прототипом. Известно, что на литейных порах может происходить образование микротрещин, способных превращаться в магистральные трещины при разрушении деталей.The introduction of additional alloying elements in the inventive alloy according to the second embodiment leads to a decrease in casting porosity in the interdendritic regions of the alloy: the volume fraction of pores is reduced by 20-30% compared with the prototype. It is known that the formation of microcracks can occur on foundry pores, which can turn into main cracks during the destruction of parts.
Приведенные результаты испытаний показывают, что по сравнению с прототипом заявляемые сплавы по первому и второму вариантам обеспечивают достижение заявленного технического результата.The test results show that, compared with the prototype of the inventive alloys according to the first and second options ensure the achievement of the claimed technical result.
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) SUBSTITUTE SHEET (RULE 26)

Claims

Формула изобретения«Cocтaв жаропрочного никелевого сплава для монокристального литья(варианты))). The formula of the invention "Cocoa heat-resistant Nickel alloy for single crystal casting (options))).
1. Состав жаропрочного никелевого сплава для монокристального литья содержащий никель, хром, кобальт, вольфрам, алюминий и тантал отличающийся тем, что он дополнительно содержит иттрий, лантан и церий при следующем соотношении компонентов (мac.%): хром - 0,5-4,0 алюминий 4,0-7,0 вольфрам - 12,0-16,0 тантал - 3,0-12,0 кобальт 4,0-9,0 иттрий - 0,003-0,1 лантан - 0,001-0,1 церий - 0,003-0,1 никель - остальное до 100%.1. The composition of the heat-resistant nickel alloy for single crystal casting containing nickel, chromium, cobalt, tungsten, aluminum and tantalum is characterized in that it additionally contains yttrium, lanthanum and cerium in the following ratio of components (wt.%): Chromium - 0.5-4 , 0 aluminum 4.0-7.0 tungsten - 12.0-16.0 tantalum - 3.0-12.0 cobalt 4.0-9.0 yttrium - 0.003-0.1 lanthanum - 0.001-0.1 cerium - 0.003-0.1 nickel - the rest is up to 100%.
2. Состав жаропрочного никелевого сплава для монокристального литья содержащий никель, хром, кобальт, вольфрам, алюминий, тантал, ниобий и молибден отличающийся тем, что он дополнительно содержит иттрий, лантан, церий и титан в при следующем соотношении компонентов (мac.%): хром - 0,5-4,0 алюминий 4,0-7,0 титан < 2,0 молибден < 4,0 вольфрам - 12,0-16,0 тантал - 3,0-12,02. The composition of the heat-resistant nickel alloy for single crystal casting containing nickel, chromium, cobalt, tungsten, aluminum, tantalum, niobium and molybdenum characterized in that it additionally contains yttrium, lanthanum, cerium and titanium in the following ratio of components (wt.%): chrome - 0.5-4.0 aluminum 4.0-7.0 titanium <2.0 molybdenum <4.0 tungsten - 12.0-16.0 tantalum - 3.0-12.0
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) кобальт 4,0-9,0 ниобий < 2,0 иттрий - 0,003-0,1 лантан - 0,001-0,1 церий - 0,003-0,1 углерод < 0,1 никель - остальное до 100%.SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) cobalt 4.0-9.0 niobium <2.0 yttrium - 0.003-0.1 lanthanum - 0.001-0.1 cerium - 0.003-0.1 carbon <0.1 nickel - the rest is up to 100%.
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) SUBSTITUTE SHEET (RULE 26)
PCT/RU2008/000129 2007-03-07 2008-03-06 Composition of a heat-resisting nickel-based alloy used for single crystal casting (variants) WO2008108688A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007108480 2007-03-07
RU2007108480/02A RU2348724C2 (en) 2007-03-07 2007-03-07 Content of heat-resistant nickel alloy for single-crystal casting (versions)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2008108688A1 true WO2008108688A1 (en) 2008-09-12

Family

ID=39738478

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2008/000129 WO2008108688A1 (en) 2007-03-07 2008-03-06 Composition of a heat-resisting nickel-based alloy used for single crystal casting (variants)

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2348724C2 (en)
WO (1) WO2008108688A1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2484167C1 (en) * 2012-03-27 2013-06-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") Ni3Al INTERMETALLIDE-BASED ALLOY AND ARTICLES MADE THEREOF

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU1513934C (en) * 1988-01-04 1995-04-10 Всесоюзный научно-исследовательский институт авиационных материалов Monocrystalline alloy on the base of nickel
SU1827121A3 (en) * 1991-06-28 1995-07-09 Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов Nickel-base monocrystalline alloy
US6007645A (en) * 1996-12-11 1999-12-28 United Technologies Corporation Advanced high strength, highly oxidation resistant single crystal superalloy compositions having low chromium content
RU2219272C1 (en) * 2002-08-29 2003-12-20 Открытое акционерное общество "Композит" Refractory castable nickel-based alloy

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU1513934C (en) * 1988-01-04 1995-04-10 Всесоюзный научно-исследовательский институт авиационных материалов Monocrystalline alloy on the base of nickel
SU1827121A3 (en) * 1991-06-28 1995-07-09 Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов Nickel-base monocrystalline alloy
US6007645A (en) * 1996-12-11 1999-12-28 United Technologies Corporation Advanced high strength, highly oxidation resistant single crystal superalloy compositions having low chromium content
RU2219272C1 (en) * 2002-08-29 2003-12-20 Открытое акционерное общество "Композит" Refractory castable nickel-based alloy

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KOLACHEV B.A. ET AL.: "Metallovedenie i termicheskaya obrabotka tvsetnykh metallov i splavov", MOSCOW, MISIS, 2005, pages 335 - 337 *

Also Published As

Publication number Publication date
RU2007108480A (en) 2008-09-20
RU2348724C2 (en) 2009-03-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5278936B2 (en) Heat resistant superalloy
US9945019B2 (en) Nickel-based heat-resistant superalloy
EP2503013B1 (en) Heat-resistant superalloy
JP4036091B2 (en) Nickel-base heat-resistant alloy and gas turbine blade
EP1710322A1 (en) Nickel based superalloy compositions, articles, and methods of manufacture
JP2008069455A (en) Cobalt-chromium-iron-nickel alloy strengthened by nitride
EP2420584B1 (en) Nickel-based single crystal superalloy and turbine blade incorporating this superalloy
JP5226846B2 (en) High heat resistance, high strength Rh-based alloy and method for producing the same
JP2005097650A (en) Ni-BASED SUPERALLOY
EP2169087B1 (en) Nickel-based superalloy and gas turbine blade using the same
US6582534B2 (en) High-temperature alloy and articles made therefrom
RU2525952C2 (en) Nickel-based heat-resistant alloy
US20050265888A1 (en) Rhodium, platinum, palladium alloy
JP4583894B2 (en) Heat resistant superalloy and use thereof
WO2008108688A1 (en) Composition of a heat-resisting nickel-based alloy used for single crystal casting (variants)
RU2353691C2 (en) Composition of heat-resistant nickel alloy (versions)
JPWO2019193630A1 (en) Ni-based superalloy castings and Ni-based superalloy products using them
US4976791A (en) Heat resistant single crystal nickel-base super alloy
JPH0617171A (en) Alloy for gas turbine blade
RU2348725C2 (en) Content of heat-resistant nickel alloy for single-crystal casting (versions)
KR20110114928A (en) Ni base single crystal superalloy with good creep property
RU2626118C2 (en) Casting heat resistant nickel-based alloy
RU2710759C1 (en) Nickel-based heat-resistant alloy and article made from it
RU2768947C1 (en) Heat-resistant nickel alloy for casting parts with monocrystalline structure
RU2678352C1 (en) Heat-resistant alloy based on nickel for casting of working blades for gas turbines

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 08741805

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 08741805

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1