жаропрочный сплав на основе никеля

Формула изобретения

ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ, содержащий углерод, хром, кобальт, молибден, вольфрам, алюминий, титан, цирконий, бор, отличающийся тем, что он дополнительно содержит ниобий, ванадий, лантан, церий и магний при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 0,08 - 0,014

Хром 8,5 - 9,5

Кобальт 13 - 15

Молибден 3,0 - 3,5

Вольфрам 5,3 - 6,5

Ниобий 3,2 - 3,8

Алюминий 3,6 - 4,0

Титан 2,5 - 2,9

Цирконий 0,01 - 0,06

Бор 0,008 - 0,020

Ванадий 0,1 - 0,6

Лантан 0,005 - 0,012

Магний 0,003 - 0,1

Церий 0,005 - 0,03

Никель Остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, в частности к разработке жаропрочных деформируемых сплавов на основе никеля, предназначенных для дисков и других тяжелонагруженных деталей газотурбинных двигателей (ГТД), работающих до температуры 750^оС.

Широко известны жаропрочные никелевые сплавы как отечественные, так и зарубежные для ГТД, степень легирования которых определяется назначением изготавливаемых из них изделий, отличающимся рабочей температурой, напряженностью и ресурсом работы двигателя [1].

Химический состав жаропрочных никелевых сплавов включает хром, кобальт, молибден, вольфрам, ниобий, алюминий, титан, цирконий, бор, углерод, различное сочетание количественного содержания которых создает различный уровень физико-механических и эксплуатационных характеристик.

Известен жаропрочный никелевый сплав, используемый для силовых изделий ГТД, который содержит следующий химический состав, мас.%: Углерод 0,1-0,2 Хром 15-18 Кобальт 8-11 Молибден 0,75-2,2 Вольфрам 1,8-3 Ниобий 0,5-2 Тантал 1-3 Алюминий 3-4 Титан 3-4 (Сумма Al + Ti не превышает 7,5%) Бор 0,01-0,05 Цирконий 0,01-0,2 Никель Остальное [2]

Данный сплав обладает хорошим сочетанием прочности, жаропрочности и пластичности.

В связи с повышением требований к техническому уровню газотурбинных двигателей при создании новых поколений последних возрастают требования к материалу силовых рабочих элементов, наиболее ответственной деталью которых являются диски. Материал дисков помимо высокой жаропрочности должен иметь высокий уровень пластических характеристик, сопротивления ползучести и малоцикловой усталости в диапазоне рабочих температур.

Известен жаропрочный сплав на основе никеля для тяжелонагруженных изделий ГТД, в том числе и для дисков, выбранный заявителем в качестве прототипа, который имеет следующий химический состав, мас.%: Углерод 0,08-0,2 Хром 11,5-16 Кобальт До 10 Молибден 2-4 Тантал и/или вольфрам До 5 ( %Cr + 1/3 % Ta + % W) 13,5-17,5 Алюминий 4,3-5 Титан 4-5 ( %Al + %Ti не более 8,5) Гафний До 2% Бор До 0,4% Цирконий До 0,2% [3].

Данный состав сплава обеспечивает повышение жаропрочности, пластичности и ударной вязкости.

Недостаток данного сплава - недостаточная термическая стабильность, вызванная образованием в процессе эксплуатации (длительного воздействия температур и напряжений) вредных фаз и , что приводит к снижению уровня пластических характеристик и жаропрочности. Особенности легирования состава приводят к повышению температур растворения упрочняющей ^l-фазы и рекристаллизации, сужению температурной области горячей деформации и резкому увеличению сопротивления деформации, т.е. приводят к снижению технологической пластичности сплава.

Цель изобретения - повышение жаропрочности, механических свойств, термической стабильности и технологической пластичности никелевого сплава.

Поставленная цель достигается тем, что жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, молибден, вольфрам, алюминий, титан, цирконий, бор дополнительно содержит ниобий, ванадий, лантан, магний и церий при следующем соотношении компонентов, мас.%: Углерод 0,08-0,14 Хром 8,5-9,5 Кобальт 13-15 Молибден 3-3,5 Вольфрам 5,3-6,5 Ниобий 3,2-3,8 Алюминий 3,6-4 Титан 2,5-2,9 Цирконий 0,01-0,06 Бор 0,008-0,02 Ванадий 0,1-0,6 Лантан 0,005-0,012 Церий 0,005-0,03 Магний 0,003-0,1 Никель Остальное

Предлагаемая композиция состава жаропрочного никелевого сплава по сравнению с прототипом обеспечивает повышение механических свойств, жаропрочности и технологической пластичности, позволяющей изготавливать из него штамповки дисков.

Повышение указанных характеристик стало возможным благодаря определению соотношения содержания компонентов в сплаве при дополнительном легировании его, что позволило упрочнение сплава провести одновременно по различным путям, а именно: путем упрочнения твердого раствора; увеличения объемного содержания и стабильности ^l-фазы; упрочнения карбидной фазой и улучшения состояния границ зерен.

Упрочнение твердого раствора осуществляется хромом, кобальтом, молибденом, вольфрамом, обладающими хорошей растворимостью в никеле. Суммарное содержание хрома, молибдена и вольфрама в результате легирования сплава в количестве, указанном в формуле изобретения, обеспечивает максимальную жаропрочность при 650-750^оС при одновременном повышении кратковременных характеристик. При увеличении содержания хрома, кобальта, молибдена и вольфрама соответственно за пределы верхней границы этих элементов согласно формуле изобретения сплав становится структурно нестабильным, в результате чего в процессе длительной эксплуатации (более 100 часов) в сплаве образуются вредные фазы типа ,.

Увеличение объемной доли и стабильность ^l-фазы достигается указанным содержанием алюминия и титана и образованием основной упрочняющей фазы Ni₃(Al, Ti), а также введением ниобия, который входит в состав ^l-фазы. Повышение содержания алюминия и титана за пределы указанной в формуле изобретения верхней границы ухудшает технологическую пластичность жаропрочного сплава. Повышение содержания ниобия за пределы верхней границы вызывает снижение характеристик пластичности и ухудшение деформируемости.

По данным фазового анализа на образование ^l-фазы, содержание которой в сплаве составляет 45-46%, идет при указанном содержании кобальта и вольфрама более 50% алюминия и титана и 80% ниобия. Такая высоколегированная ^l-фаза, имея пониженную склонность к коагуляции при 650-750^оС, обеспечивает высокие жаропрочные свойства сплаву.

Положительное влияние ванадия сказывается до 0,6%, при этом улучшается деформируемость сплава.

Сплав упрочняется карбидной фазой. Увеличение ее количества способствует измельчению зерна и повышению кратковременных свойств. Однако увеличение содержания углерода за пределами верхней границы вызывает снижение жаропрочности в связи с тем, что легирующие элементы (титан, ниобий, вольфрам, молибден и др. ) связываются в карбиды, и содержание их в упрочняющей ^l-фазе снижается.

Поверхностно-активные элементы (бор, цирконий, магний) в указанном количестве сегрегируют по границам зерен и замедляют процесс зарождения трещин, т. е. улучшают состояние границ зерен. Введение магния оказывает также благоприятное влияние на уровень кратковременных свойств и жаропрочность. Бор и образующиеся в данной композиции бориды типа М₃В₂, а также карбонитриды на основе титана замедляют процессы коагуляции частиц ^l-фазы, что повышает термостабильность сплава.

Введение лантана в предложенном количестве также улучшает жаропрочность, что объясняется нейтрализацией вредных примесей в сплаве, способных образовывать легкоплавкие эвтектики. Малая добавка церия повышает жаропрочность и пластичность сплава при рабочих температурах, а также деформируемость сплава в горячем состоянии. Таким образом, заявленная композиция соответствует требованию новизны.

Проверка соответствия заявленной композиции требованию изобретательского уровня при сопоставлении отличительных признаков предложения с известным уровнем техники показала следующее.

Известен состав жаропрочного никелевого сплава, содержащего следующий химический состав, мас.%: Углерод 0,01-0,2 Хром 5-9 Вольфрам 7,5-12 Молибден 1-4 (причем W +Мо не более, чем 14%) Кобальт 7-16 Тантал 3-6 Алюминий 2,5-5 Титан 2,5-5 ( Al + Ti 6,5-8,5) Цирконий 0,01-0,2 Бор 0,01-0,1 Гафний До 3 Ниобий До 2 Железо До 2 Ванадий До 1 Иттрий До 0,02 [4].

Из сопоставления заявленного состава с известным следует, что известно дополнительное легирование сплава на основе никеля, содержащего углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, алюминий, цирконий, бор, ниобием и ванадием с целью повышения механических свойств и жаропрочности.

Известно также дополнительное микролегирование с целью повышения жаропрочности и пластичности церием и лантаном жаропрочного сплава на основе никеля, имеющего следующий химический состав, мас.%: Углерод 0,04-0,08 Хром 13-16 Кобальт 6-12 Молибден 4-8 Титан 2,3-3,0 Алюминий 1,8-3 Ниобий 2,2-6 Лантан 0,001-0,1 Бор 0,001-0,01 Церий 0,001-0,03 Никель Остальное [5].

Анализ показывает, что известность дополнительного легирования ниобием и ванадием системы характеризуется отличным от заявленного состава количественным содержанием остальных легирующих компонентов [4], а с другой стороны, - микролегирование церием и лантаном композиции, отличающейся и по качественному составу, не дает оснований рассматривать заявленный состав как дополнение известного средства какими-либо известными частями, присоединяемыми к нему по известным правилам для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений, так как достигаемый результат является следствием сложного взаимодействия легирующих компонентов, как указано выше, и определяется в каждом конкретном случае уровнем поставленной задачи.

П р и м е р. Сплавы заявленного состава выплавляли в вакуумно-индукционной печи емкостью 50 кг. Механические свойства и жаропрочность определялась на поковках. Термическая обработка проводилась по режиму: закалка с 1110-1140^оС, выдержка - 3 ч, охлаждение - масло, двойное старение: 760 10^оС, 32 ч + 850 10^оС, 6 ч.

Составы сплавов приведены в табл. 1.

Достигаемый результат - кратковременные механические свойства, жаропрочность и технологическая пластичность - представлены в табл. 2 и 3.