Патент на изобретение №2344190
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(54) СОСТАВ ЛИТЕЙНОГО ЖАРОПРОЧНОГО СПЛАВА НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ
(57) Реферат:
Изобретение относится к области металлургии. Состав литейного жаропрочного сплава на основе никеля содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: хром – 3,0-7,0, кобальт – 4,0-8,5, углерод – 0,1-0,2, вольфрам – 11,5-15,0, алюминий – 4,8-5,8, ниобий – 0,4-1,0, титан – 2,0-3,0, молибден – 0,5-1,0, бор –
Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным никелевым сплавам, используемым при изготовлении высоконагруженных деталей газотурбинных двигателей, например рабочих лопаток, работающих при температурах до 1000°С. Известны жаропрочные сплавы на основе никеля, содержащие хром, алюминий, титан, молибден и вольфрам (Химушин Ф.Ф. Жаропрочные стали и сплавы. – М., 1969 г., с.371) – аналог. Известные сплавы, обладая высокими технологическими свойствами, имеют предел сточасовой длительной прочности при 1000°С не более 150-180 МПа. Известен сплав ЖС-6К, содержащий никель, хром, кобальт, молибден, вольфрам, титан, алюминий, церий и бор (Коррозионно-стойкие и жаропрочные стали и сплав. Справочник по авиационным материалам. М.: ВИАМ, 1975 г, т.3, с.525-532) – аналог. Данный сплав имеет предел сточасовой длительной прочности при 1000°С – 150-160 МПа. Из-за недостаточно высоких показателей предела сточасовой длительной прочности сплав ЖС-6К также не может быть использован при изготовлении высоконагруженных деталей газотурбинных двигателей, например рабочих лопаток. Известен жаропрочный никелевый сплав ЖС-6У, содержащий никель, углерод, хром, кобальт, бор, молибден, вольфрам, титан, алюминий, ниобий и церий (патент РФ №2130088, МПК 6: С22С 19/05, опубликовано 1999.05.10) – прототип. Данный сплав имеет предел сточасовой прочности при 1000°С – 170-180 МПа. Из-за недостаточно высоких показателей предела сточасовой длительной прочности сплав ЖС-6У также не может быть использован при изготовлении высоконагруженных деталей газотурбинных двигателей. Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение прочностных характеристик никелевых жаропрочных сплавов с поликристаллической структурой, таких как предел сточасовой прочности и стабильность сплава при температурах не выше 1000°С, жаростойкость сплава и т.д., путем создания сбалансированной системы их легирования и, как следствие, уменьшение вероятности зарождения статических и усталостных трещин на границах зерен. Указанный технический результат достигается тем, что состав жаропрочного сплава (ЖС6У-ПК) на основе никеля содержит никель, хром, углерод, кобальт, вольфрам, алюминий, ниобий, титан, молибден, бор и церий дополнительно содержит лантан и иттрий в следующем соотношении компонентов (мас.%): хром – 3,0-7,0, углерод – 0,1-0,2, кобальт – 4,0-8,5, вольфрам 11,5-15,0, алюминий – 4,8-5,8, ниобий -0,4-1,0, титан – 2,0-3,0, молибден – 0,5-1,0, бор – Разработка заявляемого состава жаропрочного никелевого сплава с поликристаллической структурой, позволяющего получить заявляемый технический результат, основана на следующем. Из уровня техники, в частности из анализа результатов эксплуатации газотурбинной техники, известна важная роль границ зерен в процессе разрушения образцов из поликристаллических сплавов при их испытаниях на долговечность и усталость при температурах до 1000°С. Установлено, что при всех исследованных температурах зарождение статических и усталостных трещин происходит на границах зерен, причем при температурах до 800°С – трещины распространяются преимущественно вдоль границ зерен. При температурах 900°С трещины развиваются еще и по телу зерен, а при дальнейшем повышении температуры – трещины зарождаются в основном на окисленных карбидах на поверхности образцов. Таким образом, для достижения заявляемого технического результата при выборе системы легирования поликристаллических жаропрочных никелевых сплавов особое внимание следует уделять состоянию границ зерен, а для этого целесообразно включение в систему легирования карбидообразующих и других элементов, стабилизирующих границы зерен, и необходима система поверхностно-активных элементов – микролегирующих добавок, образующих равновесные сегрегации на структурных дефектах и тем самым снижающих энергию границ зерен при их сочетании с остальными элементами, входящими в состав сплава. Количество и состав микролегирующих добавок влияет не только на границы зерен в сплаве, но оказывает благоприятное воздействие и на другие дефекты кристаллической структуры, например, на антифазные границы в упорядоченной структуре При анализе системы легирования как известных, так и вновь разрабатываемых жаропрочных сплавов с поликристаллической структурой с целью последующей корректировки их химического состава возможно использование различных подходов. В частности, можно оценивать склонность сплава к образованию охрупчивающих ТПУ-фаз. Для этого обычно оценивают сбалансированность химического состава сплава по методу РНАСОМР. Карбидообразующими элементами в заявляемом составе жаропрочного никелевого сплава с поликристаллической структурой являются: углерод, хром, вольфрам, ниобий, титан и молибден. Микролегирующие элементы: бор, лантан, иттрий и церий. Жаропрочный никелевый сплав с поликристаллической структурой получают смешиванием компонентов состава сплава в указанных в формуле изобретения количествах в соответствии с известными методами изготовления никелевых жаропрочных сплавов. Состав заявляемого жаропрочного никелевого сплава с поликристаллической структурой, с заявляемым составом компонентов и в указанных количественных диапазонах их содержания сбалансирован в соответствии с изложенным выше. Ведение в состав сплава хрома на нижнем пределе (3%) обеспечивает минимальный приемлемый уровень жаростойкости сплава, работающего в условиях температуры до 1000°С, а увеличение содержание хрома выше 7% приводит к неконтролируемому образованию Для апробации сплава были выплавлены три состава сплава (два заявляемых и один сплав прототип – ЖС-6У), содержащие компоненты (в мас.%), приведенные в Таблице 1. Предлагаемый сплав выплавляли по стандартной технологии с использованием компонентов заявляемого состава сплава в указанных в формуле изобретения диапазонах.
После чего литые образцы без последующей механической обработка испытывались. Результаты испытаний приведены в Таблице 2.
Приведенные результаты испытаний показывают, что по сравнению с прототипом заявляемый сплав обеспечивает достижение заявляемого технического результата, а именно – повышение прочностных характеристик никелевых жаропрочных поликристаллических сплавов на основе никеля, таких как предел сточасовой прочности и стабильность сплава при температурах не выше 1000°С.
Формула изобретения
Состав литейного жаропрочного сплава на основе никеля, включающий никель, хром, кобальт, углерод, вольфрам, алюминий, ниобий, титан, молибден, бор и церий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит лантан и иттрий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
0,025, церий – 
‘-фазы, возникающие при перерезании частиц упрочняющей 
-фазы, особенно при длительной наработке, что вызывает его преждевременное разрушение. Введение в состав сплава кобальта в заявляемых количествах 4,0-8,5% улучшает пластичность, литейные свойства сплава, а также его стойкость в условиях воздействия солевого тумана. Если кобальта менее 4% – данный эффект практически отсутствует, если кобальта более 8,5% – улучшения свойств не происходит. Увеличение содержания вольфрама до 11,5-15,0% по сравнению с прототипом приводит к повышению характеристик жаропрочности и структурной стабильности сплава. При уменьшении количества вольфрама менее 11,5% – данный эффект заметно снижается, при содержании в сплаве вольфрама в количестве более 15% – происходит образование фаз 
– вольфрам и карбидов типа Ni3W3C, т.е. введение дополнительного к верхнему пределу количества вольфрама не только не упрочняет сплав, но и приводит к его разрушению. Алюминий и титан – это основные