Патент на изобретение №2153021

(54) НИКЕЛЕВЫЙ ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ ДЛЯ МОНОКРИСТАЛЬНОГО ЛИТЬЯ

(57) Реферат:

Никелевый жаропрочный сплав для монокристального литья содержит следующие компоненты, мас.%: хром 2,0-3,0, кобальт 9,5-12,0, алюминий 5,5-6,2, вольфрам 0,1-1,8, молибден 1,6-2,4, тантал 7,8-10,0, рений 7,8-10,0, церий 0,002-0,02, лантан 0,002-0,02, неодим 0,0005-0,01, иттрий 0,002-0,02, углерод 0,002-0,05 и никель остальное, при соблюдении условия 10,5 (1/2 W+1/2 Re+1/2 Ta + Мо) 11,5. Техническим результатом изобретения является улучшение технологических и жаропрочных характеристик сплава. 2 табл.

Изобретение относится к металлургии сплавов, а именно к производству жаропрочных сплавов на основе никеля, используемых для деталей с монокристаллической структурой, например лопаток газовых турбин, работающих при высоких температурах.

Известен никелевый жаропрочный сплав для монокристального литья [1] состава, мас.%:
Хром – 5,8 – 6,8
Кобальт – 0,1 – 6
Алюминий – 5 – 5,8
Вольфрам – 6 – 7,8
Ниобий – 0,05 – 0,5
Молибден – 3,5 – 4,8
Тантал – 6 – 7,8
Церий – 0,002 – 0,02
Иттрий – 0,002 – 0,02
Лантан – 0,002 – 0,02
Никель – Остальное
при соблюдении условия: 10,5 (1/2 W + 1/2 Ta + Mo + Nb) 11,5.

Известный сплав обладает недостаточной жаропрочностью: при температуре 1050^oC и напряжении 15 кгс/мм² время до разрушения при испытании на длительную прочность сплава составляет 450-500 ч.

Известен никелевый жаропрочный сплав для монокристального литья [2] состава, мас.%:
Хром – 4,0 – 6,5
Кобальт – 10 – 15
Алюминий – 5 – 6,25
Вольфрам – 5 – 6,5
Ниобий – 0 – 1
Молибден – 0,5 – 2,0
Тантал – 7 – 9,25
Рений – 5,1 – 5,6
Гафний – 0,1 – 0,5
Углерод – 0,02 – 0,07
Рутений – 0 – 6
Бор – 0,003 – 0,01
Хром + молибден – 4,6 – 6,5
Никель – Остальное
Недостатком известного сплава является склонность к образованию топологически плотноупакованных (ТПУ) ,,R,P – фаз в интервале рабочих температур 1000 -1100^oC. Отрицательное влияние ТПУ фаз на свойства сплава проявляется в том, что они служат источником зарождения и распространения трещин, ведущих к преждевременному разрушению. Кроме этого, ТПУ фазы связывают значительное количество основных легирующих элементов и, тем самым, обедняют ими -твердый раствор, снижая эффективность твердорастворного упрочнения сплава. В результате известный сплав обладает недостаточной жаропрочностью: при температуре 1093^oC и напряжении = 141 МПа долговечность сплава составляет ~ 100 ч.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является никелевый жаропрочный монокристальный сплав [3]. Жаропрочный сплав на основе никеля содержит хром, кобальт, алюминий, вольфрам, ниобий, молибден, тантал, рений, гафний, титан при следующем соотношении указанных выше компонентов, мас.%:
Хром – 1,8 – 4,0
Кобальт – 1,5 -9,0
Алюминий – 5,0 -7,0
Вольфрам – 3,5 -7,5
Ниобий – 0 -0,5
Молибден – 0,25 – 2,0
Тантал – 7,0 -10,0
Рений – 5,0 -7,0
Гафний – 0 -0,15
Титан – 0,1 -1,2
Никель – Остальное
Сплав имеет следующие характеристики жаропрочности: при температуре 982^oC и напряжении = 248 МПа долговечность сплава = 239,8-775,2 ч; при температуре 1010^oC и = 248 МПа = 140,7 – 354,4 ч.

Однако недостатком известного сплава является склонность к образованию при кристаллизации избыточных фаз эвтектического происхождения на основе Ni₃(А1, Та, Ti, Hf, Nb), а также склонностью к фазовой нестабильности в связи с широким интервалом легирования в пределах указанного выше соотношения компонентов. Вследствие этого сплав обладает недостаточно высокой длительной прочностью при температуре 1000^oC.

Наличие в литой структуре сплава фаз эвтектического происхождения на основе Ni₃(А1, Та, Ti, Hf, Nb) также ухудшает технологические свойства сплава, снижая температурный интервал гомогенизирующего отжига, равный разности между температурой локального плавления и температурой полного растворения упрочняющей – фазы. В результате возникают трудности в проведении без риска оплавления термической обработки на твердый раствор для растворения избыточных фаз и устранения ликвационной неоднородности.

Технической задачей предлагаемого изобретения является устранение вышеуказанных недостатков, а именно улучшение технологических характеристик сплава при повышении жаропрочности. Для этого в никелевый жаропрочный сплав для монокристального литья, содержащий хром, кобальт, алюминий, вольфрам, молибден, тантал, рений, дополнительно введены церий, лантан, неодим, иттрий и углерод при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Хром – 2,0 – 3,0
Кобальт – 9,5 – 12,0
Алюминий – 5,5 – 6,2
Вольфрам – 0,1 – 1,8
Молибден – 1,6 – 2,4
Тантал – 7,8 – 10,0
Рений – 7,8 – 10,0
Церий – 0,002 – 0,02
Лантан – 0,002 – 0,02
Неодим – 0,0005 – 0,01
Иттрий – 0,002 – 0,02
Углерод – 0,002 – 0,05
Никель – Остальное
при соблюдении условия: 10,5 (1/2W + 1/2Re + 1/2 Ta + Mo) 11,5.

Введение в состав сплава церия, лантана, неодима и углерода способствует оптимальному перераспределению легирующих элементов по дендритной ячейке и расширению температурного интервала гомогенизирующего отжига без риска оплавления. Одновременная корректировка химического состава сплава при выполнения условия 10,5 (1/2W + 1/2Re + 1/2Ta+ Mo) 11,5. приводит к повышению фазовой стабильности -твердого раствора и -фазы, увеличению периода кристаллической решетки этих фаз и достижению его оптимального размерного несоответствия. В результате повышается длительная прочность сплава. Кроме того, удаление из состава сплава титана, ниобия и гафния приводит к повышению термодинамической стабильности упрочняющей -фазы, что также способствует повышению высокотемпературной длительной прочности сплава.

Пример осуществления. Для проверки были выплавлены в вакуумной индукционной печи ВИАМ-1635 шесть сплавов предлагаемого состава и один сплав состава, взятого за прототип. Затем эти сплавы переплавляли в установке для направленной кристаллизации (скорость вытягивания формы – 10 мм/мин) с получением монокристаллических слитков с осевой ориентацией, близкой к кристаллографическому направлению роста <001>. Из этих слитков изготавливали образцы (диаметр 7 мм, длина 7 мм) для определения температур фазовых превращений в твердом и твердожидком состояниях. Затем слитки подвергали термической обработке, включающей гомогенизирующий отжиг в интервале между температурой полного растворения упрочняющей -фазы и температурой локального плавления, первое старение в интервале температур 1050 – 1150^oC, второе старение в интервале температур 750 – 900^oC. Из термообработанных таким образом слитков изготавливали образцы для механических испытаний (длина образца 70 мм, рабочая база 25 мм, рабочий диаметр 5 мм) на долговечность (длительное одноосное растяжение) при высоких температурах. Механические испытания образцов проводили при температуре 1000^oC и напряжении 32 кгс/мм.

Содержание компонентов (мас.%) в сплавах и характеристики сплавов приведены в табл. 1 и 2 соответственно.

Как видно из табл. 2, предлагаемый сплав имеет большую величину (на 44-57^oC) температурного интервала гомогенизирующего отжига, чем сплав, взятый за прототип. Это позволяет проводить термическую обработку на твердый раствор и гомогенизацию сплава без риска оплавления и полностью устранить фазовую и химическую неоднородность. Кроме того, значения параметров характеризующих фазовую стабильность, для предлагаемого сплава меньше критических, что свидетельствует об отсутствии склонности его -твердого раствора к выделению ТПУ – фаз.

Значения параметров вычислялись по формулам:

где (Mdt)_i – энергетический уровень d- орбиталей i-го химического элемента; (N)_i – количество электронных вакансий химического элемента; X, Z, – атомные концентрации i-х элементов в -твердом растворе и сплаве соответственно; А_i – и Е_i– соответственно атомная масса и концентрация валентных электронов i-го элемента (sp-электроны алюминия и ds- электроны переходных металлов). В результате долговечность предлагаемого сплава при испытаниях на длительную прочность при температуре 1000^oC и напряжении 32 кгс/мм² повышается в 2 раза по сравнению со сплавом, взятым за прототип.

Таким образом, предлагаемый сплав значительно превосходит известный сплав по длительной прочности, что позволяет рекомендовать этот сплав для монокристального литья лопаток газовых турбин, к которым предъявляются повышенные требования к жаропрочности при высоких температурах.

Литература
1. Патент РФ N 1776076. МКИ С 22 С 19/05. 1990.

2. United States Patent N 5455120. Int.Cl.⁶ C 22 С 19/05, C 22 F 1/10 1995.

3. United States Patent N 5366695. Int.Cl.⁵ C 22 С 19/05. 1994.

5. Суперсплавы II: Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок /Под ред. Ч.Т.Симса, Н.С.Столоффа, У.К.Хателя: Пер. с англ. В 2-х книгах. Кн. 1. /Под ред. Р.Е.Шалина. M.: Металлургия. 1995.384 с.

6. Морозова Г. И. Закономерность формирования химического состава /

Формула изобретения

Никелевый жаропрочный сплав для монокристального литья, содержащий хром, кобальт, алюминий, вольфрам, молибден, тантал, рений, отличающийся тем, что он дополнительно содержит церий, лантан, неодим, иттрий и углерод при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Хром – 2,0 – 3,0
Кобальт – 9,5 – 12,0
Алюминий – 5,5 – 6,2
Вольфрам – 0,1 – 1,8
Молибден – 1,6 – 2,4
Тантал – 7,8 – 10,0
Рений – 7,8 – 10,0
Церий – 0,002 – 0,02
Лантан – 0,002 – 0,02
Неодим – 0,0005 – 0,01
Иттрий – 0,002 – 0,02
Углерод – 0,002 – 0,05
Никель – Остальное
при соблюдении условия 10,5 (1/2 W + 1/2 Re + 1/2 Ta + Mo) 11,5

РИСУНКИ