Патент на изобретение №2153020
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) ЛИТЕЙНЫЙ ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ
(57) Реферат: Литейный жаропрочный сплав на основе никеля содержит следующие компоненты, мас. %: хром 6,5-10,5, кобальт 6,0-10,0, молибден 2,7-4,0, алюминий 4,8-5,7, титан 4,2-4,7, углерод 0,06-0,20, бор 0,005-0,015, цирконий 0,01-0,02, вольфрам 1,0-1,8, ниобий 0,5-1,0, церий 0,002-0,015, один элемент из группы, включающей иттрий и скандий 0,0015-0,01, ванадий 0,1-1,0, кальций 0,001-0,015, лантан 0,002-0,02, никель остальное. Техническим результатом изобретения является получение высокого уровня жаропрочных и усталостных свойств с пониженной плотностью и улучшенной жидкотекучестью сплава. Сплав может быть использован для изготовления отливок, например, рабочих и сопловых лопаток газотурбинных двигателей с равноосной и направленной структурой, работающих в условиях высоких температур и напряжений. 2 табл. Предлагаемое изобретение относится к композиции литейного жаропрочного сплава на основе никеля, предназначенного для изготовления отливок, например, рабочих и сопловых лопаток газотурбинных двигателей с равноосной и направленной структурой, работающих в условиях высоких температур и напряжений. Возрастающие требования к материалам высоконагруженных авиационных двигателей не могут быть удовлетворены без создания литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе, способных длительно работать в интервале температур 800-1050oC. За счет подбора определенного соотношения легирующих компонентов – кобальта, вольфрама, хрома, титана, алюминия и других – удалось получить сплавы с высокими жаропрочными свойствами. При этом необходимо отметить, чем выше рабочая температура на материале лопатки турбины, тем выше мощность газотурбинного двигателя. Одним из основных направлений повышения жаропрочности рассматриваемых сплавов являлось повышение в их составе доли тугоплавких легирующих металлов, прежде всего вольфрама, который дополнительно упрочняет твердый раствор и тем самым замедляет диффузионные процессы при повышенных температурах. Известные зарубежные сплавы содержат 12-13% W (сплавы MAR-M200 и ММ-009), отечественные сплавы содержат 10-12% W (сплавы ЖС6У, ЖС6Ф, ЖС3О). Однако при введении в сплавы повышенного количества вольфрама заметно возрастает их удельный вес (плотность). Сплавы и изготовленные из них лопатки имеют повышенную массу, в результате возрастают центробежные нагрузки при работе газотурбинного двигателя и может произойти преждевременное разрушение элементов конструкции двигателя, вызванного циклическими, статическими, ударными и другими нагрузками. В связи с усложнением конструкции лопаток и особенно их внутренней полости толщина стенок лопаток в некоторых сечениях может составлять 0,5-1,0 мм. Поэтому для гарантированного заполнения таких тонких сечений металлом сплавы должны обладать высокой жидкотекучестью. Между тем сплавы, содержащие повышенное количество вольфрама, отличаются невысокой жидкотекучестью и поэтому не могут применяться при отливке турбинных лопаток, имеющих толщину стенки до 0,5 мм. Очевидно, что работоспособность материала лопатки современного газотурбинного двигателя определяется не только уровнем жаропрочности и других механических свойств, но также зависит от его физических и технологических свойств (плотности и жидкотекучести). Известен литейный жаропрочный сплав IN-731 (см. книгу “Суперсплавы II: Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок” /Под ред. Симса Ч.Т., Столоффа Н.С., Хагеля У.К.: Пер. с англ. В 2-х книгах. Кн. 2. /Под ред. Шалина Р.Е. – М.: Металлургия, 1995. – 384 с.) следующего химического состава, мас.%: Хром – 9,5 Кобальт – 10,0 Молибден – 2,5 Алюминий – 5,5 Титан – 4,6 Углерод – 0,18 Бор – 0,015 Цирконий – 0,06 Ванадий – 1,0 Никель – Остальное Как показали дополнительные исследования, этот сплав имеет невысокий уровень жаропрочных свойств: при температуре 975oC 40-часовой предел длительности прочности (  97405) равен 19 кгс/мм2. Хотя его плотность (d) составляет 7,7 г/см3 т.е. ниже, чем у сплавов с высоким содержанием вольфрама (d = 8,5 г/см3), однако удельная жаропрочность (97405/d) составляет всего 19/7,7=2,47 км. Кроме того, этот сплав имеет недостаточно хорошую жидкотекучесть.
За прототип предлагаемого сплава был взят литейный жаропрочный сплав на основе никеля по патенту РФ N 2070597, Б.И. 35, 1996 г. Сплав имеет следующий химический состав, мас.%:Хром – 7,0-14,0 Кобальт – 8,0-15,0 Молибден – 0,7-3,0 Алюминий – 4,0-6,0 Титан – 1,0-4,0 Углерод – 0,05-0,20 Бор – 0,005-0,07 Цирконий – 0,01-0,10 Вольфрам – 9,0-12,0 Ниобий – 0,5-4,0 Церий – 0,002-0,025 Один элемент из группы, включающей иттрий и скандий – 0,0013-0,0085 Никель – Остальное Сплав отличается высокими термоусталостными свойствами. Дополнительная проверка показала, что известный сплав имеет следующий уровень жаропрочных свойств: при температуре 975oC 40-часовой предел длительной прочности равен 23 кгс/мм2. Однако плотность сплава высокая и составляет 8,5 г/см3 т. е. удельная жаропрочность составляет 23/8,5 = 2,7 км. Кроме того, сплав обладает недостаточно высокой жидкотекучестью. Технической задачей данного изобретения является разработка литейного жаропрочного сплава, который сочетал бы в себе высокий уровень жаропрочных и термоусталостных свойств с пониженной плотностью и жидкотекучестью. Поставленная задача достигается тем, что литейный жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий хром, кобальт, молибден, алюминий, титан, углерод, бор, цирконий, вольфрам, ниобий, церий, один элемент из группы, включающей иттрий и скандий, дополнительно содержит ванадий, кальций и лантан при следующем соотношении компонентов сплава, мас.%: Хром – 6,5-10,5 Кобальт – 6,0-10,0 Молибден – 2,7-4,0 Алюминий – 4,8-5,7 Титан – 4,2-4,7 Углерод – 0,06-0,20 Бор – 0,005-0,015 Цирконий – 0,01-0,02 Вольфрам – 1,0-1,8 Ниобий – 0,5-1,0 Церий – 0,002-0,015 Один элемент из группы, включающей иттрий и скандий – 0,0015-0,01 Ванадий – 0,1-1,0 Кальций – 0,001-0,015 Лантан – 0,002-0,02 Никель – Остальное Для снижения плотности предлагаемого сплава содержание вольфрама в нем понижено с 9-12% до 1,0-1,8%, одновременно повышено содержание титана с 1-4% до 4,2-4,7%. Кроме того, дополнительное повышение содержания титана позволило увеличить в нем количество упрочняющей   – фазы Ni3(Al, Ti). Для дополнительного повышения жаропрочных свойств сплава в его состав ввели ванадий, лантан, которые стабилизируют – фазу, замедляя ее коагуляцию при высоких температурах и напряжениях.
Экспериментально нами было установлено, что низкая жидкотекучесть сплава связана с повышенной его окисляемостью: обычно в сплаве содержится 0,002-0,003% кислорода. Введение в сплав кальция в качестве эффективного раскислителя позволило существенно понизить в сплаве содержание кислорода до 0,0005-0,001% и тем самым заметно повысить жидкотекучесть сплава. Повышению жидкотекучести сплава способствует также понижение в сплаве содержания вольфрама.
Проверка показала, что сплав с равноосной структурой имеет следующий уровень жаропрочных свойств: при температуре 975oC 40-часовой предел длительной прочности сплава равен 21 кгс/мм2, плотность сплава равна 7,8 г/см3 т. е. удельная жаропрочность составляет 21/7,8 = 2,7 км (аналогично сплаву – прототипу).
Сплав отличается высокой жидкотекучестью, которую оценивали по длине спирали в специальной литейной форме, залитой при температуре металла 1540oC. Если длина спирали у сплава-прототипа составляла 0,8-1,0 м, то у предлагаемого сплава она возросла до 1,5-2,0 м.
Примеры осуществленияСплавы выплавлялись в вакуумной индукционной печи при разрежении 10-2 – 10-3 мм рт. ст. и заливались в чугунные кокили. Полученные заготовки переплавлялись в вакуумной порционной печи и заливались в горячие оболочковые формы, приготовленные по выплавляемым моделям. Таким образом получали отливки с равноосной структурой. Из предлагаемого сплава также получали отливки и с направленной или монокристаллической структурой. В этом случае полученные после вакуумной индукционной плавки заготовки переплавляли в установке для направленной кристаллизации типа УВНК-8П. В вакуумной индукционной печи емкостью 100 кг были выплавлены различные композиции предлагаемого сплава. Химический состав сплава с равноосной и направленной структурами приведен в таблице 1. Свойства выплавленных сплавов представлены в таблице 2. Заявляемый сплав составов 2…7 выплавлялся с равноосной структурой, составов 8 и 9 – с направленной структурой, а состав 1 – по сплаву-прототипу с равноосной структурой. Как видно из таблицы 2, все восемь составов предлагаемого сплава имеют высокую удельную жаропрочность, меньшую плотность и лучшую жидкотекучесть и более высокую термостойкость, чем сплав-прототип. Предлагаемый сплав с равноосной структурой имеет следующие характеристики жаропрочности и кратковременной прочности: при температуре 975oC и напряжении 21 кгс/мм2 время до разрушения составляет 75-95 ч, предел прочности при комнатной температуре составляет 93-102 кгс/мм2, относительное удлинение – 7,5-12%. Жаропрочные свойства предлагаемого сплава в отливках с направленной структурой имеют следующие значения: при температуре 975oC и напряжении 21 кгс/мм2 время до разрушения составляет 160-165 ч, при температуре 975oC и напряжении 24 кгс/мм2 время до разрушения составляет 60 ч. Число циклов до разрушения (долговечность при испытании на термоусталость) составляет 650-680 циклов (для отливок с равноосной структурой) и 1300-1350 циклов (для отливок с направленной структурой). Таким образом, предлагаемый сплав обладает сочетанием высокого уровня жаропрочности и термоусталости с пониженной плотностью и высокой жидкотекучестью, что позволяет применять его для производства деталей ГТД нового поколения с увеличенным ресурсом работы. Формула изобретения
Хром – 6,5 – 10,5 Кобальт – 6,0 – 10,0 Молибден – 2,7 – 4,0 Алюминий – 4,8 – 5,7 Титан – 4,2 – 4,7 Углерод – 0,06 – 0,20 Бор – 0,005 – 0,015 Цирконий – 0,01 – 0,02 Вольфрам – 1,0 – 1,8 Ниобий – 0,5 – 1,0 Церий – 0,002 – 0,015 Один элемент из группы, включающей иттрий и скандий – 0,0015 – 0,01 Ванадий – 0,1 – 1,0 Кальций – 0,001 – 0,015 Лантан – 0,002 – 0,02 Никель – Остальное РИСУНКИ
|
||||||||||||||||||||||||||
