литейный жаропрочный сплав на основе никеля

Формула изобретения

Литейный жаропрочный сплав на основе никеля, включающий углерод, хром, кобальт, молибден, вольфрам, алюминий, титан, иттрий, бор, цирконий, сера, фосфор, ниобий, марганец, кремний, железо, медь, азот, висмут, свинец, сурьма и мышьяк, отличающийся тем, что он содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:

Углерод - 0,06 - 0,12

Хром - 15,0 - 16,7

Кобальт - 10,0 - 11,5

Молибден - 2,55 - 3,20

Вольфрам - 4,5 - 6,0

Алюминий - 2,4 - 3,2

Титан - 4,2 - 5,0

Иттрий - 0,05

Бор - 0,02

Цирконий - 0,05

Ниобий - 4,2 - 5,0

Сера - 0,008

Фосфор - 0,008

Марганец - 0,30

Кремний - 0,30

Железо - 0,5

Медь - 0,07

Азот - 0,01

Висмут - 0,00005

Свинец - 0,001

Сурьма - 0,0005

Мышьяк - 0,0005

Никель - Остальноен

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, в частности к сплавам на основе никеля, используемым для наплавки на детали, работающие в жестких условиях при высокотемпературной фреттинг-коррозии и сульфидной коррозии, например на контактные поверхности рабочих и сопловых лопаток стационарных газовых турбин газотурбинных установок (ГТУ).

Известно, что никелевые жаропрочные коррозионно-стойкие сплавы содержат в своем составе 11 - 16 важных составляющих элементов в тщательно контролируемых количествах, которые при различном их сочетании придают сплавам самые разнообразные свойства. Длительная работоспособность сплава определяется в первую очередь его химическим составом и связана с устойчивостью и стабильностью его фазовых составляющих -фазы, -фазы и карбидов, которые придают деталям их этих сплавов важные технологические свойства - твердость, высокую жаропрочность и термическую стойкость от окисления при высоких температурах.

Известен литейный сплав на основе никеля (авт. св. СССР N 809902, кл. C 22 C 19/05, 1979), содержащий хром, молибден, вольфрам, титан, алюминий, кобальт, бор, цирконий, церий, иттрий, ниобий, тантал и барий, применяемый для отливки лопаток газотурбинных двигателей (ГТД), работающих в условиях высоких температур при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Хром - 15 - 17

Молибден - 1,5 - 3

Вольфрам - 3,5 - 5

Титан - 5 - 6

Алюминий - 2,5 - 3,5

Кобальт - 12 - 16

Бор - 0,02 - 0,05

Цирконий - 0,01 - 0,3

Церий - 0,02 - 0,1

Иттрий - 0,05 - 0,3

Ниобий - 0,5 - 2,5

Тантал - 0,05 - 1,5

Барий - 0,01 - 0,3

Никель - Остальное

Сплав обладает повышенной длительной прочностью и жаростойкостью до 900^oC. Однако он имеет низкую стойкость наплавленного металла против образования горячих трещин, пониженную исходную твердость и фреттингостойкость контактных поверхностей бандажных полок лопаток турбины ГТД.

Наиболее близким к предлагаемому является литейный жаропрочный никелевый сплав марки ХН 58 КВТЮМБЛ-ВИ (ЧС70 - ВИ) вакуумной выплавки согласно ТУ 14-1-3658-83, содержащий углерод, хром, кобальт, молибден, вольфрам, алюминий, титан, иттрий, бор, цирконий, ниобий, серу, фосфор, марганец, кремний, железо, медь, азот, висмут, свинец, сурьму и мышьяк при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод - 0,06 - 0,12

Хром - 15,0 - 16,7

Кобальт - 10,0 - 11,5

Молибден - 1,5 - 2,5

Вольфрам - 4,5 - 6,0

Алюминий - 2,4 - 3,2

Титан - 4,2 - 5,0

Иттрий - 0,05

Бор - 0,2

Цирконий - 0,05

Ниобий - 0,1 - 0,3

Сера - 0,008

Фосфор - 0,008

Марганец - 0,30

Кремний - 0,30

Железо - 0,5

Медь - 0,07

Азот - 0,01

Висмут - 0,00005

Свинец - 0,001

Сурьма - 0,0005

Мышьяк - 0,0005

Никель - Остальное

Из данного сплава по выплавляемым моделям вакуумным способом отливают лопатки турбины для наземных ГТД, которые имеют высокие эксплуатационные свойства, в частности высокую стойкость к сульфидной коррозии и термическую стойкость от окисления при высоких температурах.

Однако в процессе длительной эксплуатации при высоких температурах (свыше 900^oC) на наземных ГТУ, работающих на природном газе в условиях агрессивной сульфидной среды и контактного давления, наблюдается значительный износ контактных поверхностей бандажных полок лопаток ГТД из-за фреттинг-коррозии, что ведет к потере натяга, разбандажированию лопаток и в конечном итоге к преждевременному съему лопаток.

Основная причина преждевременного износа контактных поверхностей заключается в том, что упрочняющая фаза сплава (-фазы) практически состоит из Ni (Al, Ti), так как сплав содержит алюминий и титан в соотношении, близком 1: 1. Содержание фазы Ni (Nb), придающей сплаву более высокую стабильность и устойчивость против разупрочнения при высоких температурах, минимальное.

Цель изобретения - повышение исходной твердости сплава при сохранении стойкости к сульфидной коррозии сплава при работе в условиях высоких температур.

Для достижения поставленной цели известный сплав на основе никеля, имеющий в своем составе углерод, хром, кобальт, молибден, вольфрам, алюминий, титан, иттрий, бор, цирконий, ниобий, серу, фосфор, марганец, кремний, железо, медь, азот, висмут, свинец, сурьму и мышьяк, содержит указанные компоненты в следующем соотношении, мас.%:

Углерод - 0,06 - 0,12

Хром - 15,0 - 16,7

Кобальт - 10,0 - 11,5

Молибден - 2,55 - 3,20

Вольфрам - 4,5 - 6,0

Алюминий - 2,4 - 3,2

Титан - 4,2 - 5,0

Иттрий - 0,05

Бор - 0,02

Цирконий - 0,05

Ниобий - 4,2 - 5,0

Сера - 0,008

Фосфор - 0,008

Марганец - 0,30

Кремний - 0,30

Железо - 0,5

Медь - 0,07

Азот - 0,01

Висмут - 0,00005

Свинец - 0,001

Сурьма - 0,0005

Мышьяк - 0,0005

Никель - Остальное

Увеличение процентного содержания ниобия способствует измельчению зерна, повышению термической стойкости, жаропрочности и исходной твердости за счет упрочнения границ зерен, образованию интерметаллидных и карбидных фаз.

Увеличение процентного содержания молибдена способствует повышению стойкости наплавленного металла против образования горячих трещин.

Комплексное легирование предлагаемого сплава ниобием и молибденом в указанных пределах способствует увеличению твердости наплавленного металла как до, так и после термообработки без снижения стойкости к сульфидной коррозии.

Предлагаемый сплав целесообразно выполнять из чистых шихтовых материалов индукционным способом в вакууме с последующей вакуумной разливкой. Заготовку выполняют в виде прутков заливкой в керамические формы, получаемые по выплавляемым моделям. Из заготовок прутков делают пластины для наплавки на контактные поверхности бандажных полок лопаток турбины ГТД.

Предлагаемый сплав был наплавлен на торцы образцов и контактные поверхности бандажных полок рабочих лопаток турбины ГТД, изготовленных из сплава ЧС 70 - ВИ.

Химический состав и сравнительные свойства предложенного и известного сплавов, а также серийных лопаток с опытными сплавами приведены в табл. 1, 2 и 3.

В табл. 1 приведены химические составы плавок разработанного сплава (составы 1, 2, 3) с различным содержанием легирующих элементов в пределах предлагаемого состава. В табл. 2 приведены свойства сплавов после литья и свойства наплавленного металла до и после термообработки. В табл. 3 приведены свойства наплавленного металла опытными сплавами (составы 1, 2 - табл. 1) на контактные поверхности бандажных полок серийных лопаток.

Увеличение содержания ниобия за пределы интервала легирования практически не приводит к повышению твердости, а уменьшение - к снижению твердости исходного и наплавленного металла (составы 5, 4 - табл. 1).

Увеличение содержания молибдена за пределы легирования (состав 5 - табл. 1) приводит к повышению сульфидной коррозии как по наплавленному, так и по основному металлу, а на ряде образцов - к катастрофическому их разрушению.

Уменьшение содержания молибдена за пределы легирования приводит к снижению стойкости наплавленного металла, к образованию горячих трещин (состав 4 - табл. 1).

Сплавы составов 1, 2, и 3, приведенные в табл. 1, соответствуют предлагаемым интервалам легирования.

Из табл. 2 следует, что преимущество предложенного сплава на основе никеля состоит в более высокой исходной твердости и твердости наплавленного металла в сравнении с прототипом (состав 6, табл. 1) при сохранении уровня стойкости к сульфидной коррозии.

Наплавление на контактные поверхности бандажных полок лопаток ГТД предлагаемого сплава при изготовлении новых и восстановлении ремонтных деталей позволяет увеличить ресурс и надежность эксплуатации газовых турбин, стационарных газотурбинных установок.