жаропрочный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него

Формула изобретения

1. Жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий алюминий, хром, молибден, вольфрам, титан, кобальт, углерод, лантан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Al - 9,2 - 9,8

Cr - 5,5 - 6,5

Mo - 2,0 - 3,0

W - 3,0 - 4,0

Ti - 1,3 - 2,0

Co - 2,0 - 3,0

C - 0,001 - 0,02

La - 0,0015 - 0,015

Ce - 0,003 - 0,025

Ni - Остальное

2. Изделие, выполненное из жаропрочного сплава на основе никеля, отличающееся тем, что выполнено из сплава следующего химического состава, мас.%:

Al - 9,2 - 9,8

Cr - 5,5 - 6,5

Mo - 2,0 - 3,0

W - 3,0 - 4,0

Ti - 1,3 - 2,0

Co - 2,0 - 3,0

C - 0,001 - 0,02

La - 0,0015 - 0,015

Ce - 0,003 - 0,025

Ni - Остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии сплавов, в особенности к литейным жаропрочным сплавам на основе никеля и изделиям, таким как, например, литые сегменты жаровых труб перспективных высокотемпературных камер сгорания (T 1827^oC) авиационных ГТД различного назначения и других деталей аэрокосмической техники, эксплуатирующихся длительно при температуре 1200^oC и выше в агрессивных окислительных средах.

Широко известны сплавы на основе никеля, отличающиеся высокой жаростойкостью, низкой плотностью и удовлетворяющей жаропрочностью в интервале температур 1100 - 1200^oC на базах 100 часов.

Так, например, известен жаропрочный сплав на основе никеля [1] состава, мас.%:

Al - 8,0 - 9,0

Cr - 5,0 - 6,0

Mo - 2,5 - 4,5

W - 2,0 - 4,0

Ti - 1,0 - 2,0

Hf - 0,4 - 0,6

C - 0,007 - 0,04

Fe - 0,5 - 1,5

Si - 0,4 - 1,2

Ni - остальное

Известен жаропрочный сплав на основе никеля [2] состава, мас.%:

Al - 7,8 - 9,5

Cr - 5,0 - 7,0

Mo - 3,0 - 4,3

W - 2,7 - 4,5

Ti - 1,3 - 2,0

Zr - 0,005 - 0,04

C - 0,001 - 0,02

Ni - остальное

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является жаропрочный сплав на основе никеля [3], имеющий состав, мас.%:

Al - 7,8 - 9,0

Cr - 4,5 - 5,5

Mo - 4,5 - 5,5

W - 1,8 - 2,5

Ti - 0,6 - 1,2

Co - 3,5 - 4,5

C - 0,007 - 0,02

La - 0,0015 - 0,015

Ni - остальное

Недостатками этих сплавов являются неудовлетворительная жаропрочность при температурах 1200 и 1250^oC, недостаточная прочность и пластичность при 20^oC и жаростойкость при температурах 1200 и 1250^oC в условиях циклических нагревов и охлаждений со скоростью ~ 1000^oC/мин, что приводит к растрескиванию изделий при термоциклических нагрузках и ограничивает их надежность.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение жаростойкости сплава на основе никеля при температурах 1200 и 1250^oC, термостойкости, кратковременной прочности и пластичности при комнатной температуре при сохранении уровня плотности 8000 кг/м³. Изделие из этого сплава имеет повышенные характеристики прочности и надежности. Для достижения поставленной задачи предлагаются жаропрочный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него. Сплав имеет следующий химический состав, мас.%:

Al - 9,2 - 9,8

Cr - 5,5 - 6,5

Mo - 2,0 - 3,0

W - 3,0 - 4,0

Ti - 1,3 - 2,0

Co - 2,0 - 3,0

C - 0,001 - 0,02

La - 0,0015 - 0,015

Ce - 0,003 - 0,025

Ni - остальное

Сплав обладает повышенной жаропрочностью при температурах 1200 и 1250^oC (¹²⁰₁₀₀⁰ 5,0 кгс/мм², ¹²⁰₅₀₀⁰ 3,0 кгс/мм², ¹²⁵₁₀₀⁰ 2,1 кгс/мм²), кратковременной прочностью и пластичностью при комнатной температуре (²_в⁰ 85,0 кгс/мм², 29%) и высоким сопротивлением циклическому окислению в воздушной среде при температуре 1200^oC. Главным при этом является прочность сцепления оксидной пленки с основой при циклических нагрузках.

Авторами было установлено, что совместное легирование сплава небольшими добавками лантана и церия не только повышает прочность связи оксидной пленки с основой при высоких температурах и высоких скоростях нагревов, но и упрочняют межфазные границы и границы субструктуры за счет образования в объеме дисперсных тугоплавких частиц типа LaNi₅ и CeNi₅, в которых частично растворяется алюминий. Это приводит к росту пределов длительной прочности при температурах 1200 и 1250^oC. Небольшое повышение содержания вольфрама при некотором снижении содержания кобальта и молибдена приводит к упрочнению твердого раствора основы при высоких температурах за счет снижения скорости диффузионных процессов, что также приводит к росту жаропрочности.

Изменение состава предлагаемого сплава по сравнению со сплавом, взятым за прототип, не привело к заметному росту плотности, что удовлетворяет условиям поставленной технической задачи.

Шихтовую заготовку из предлагаемого сплава различных составов выплавляют из чистых шихтовых материалов в вакуумной индукционной печи с тиглем из основной футеровки. После разливки сплавов в кокили 60 мм отбирали стружку на химический анализ. Содержание легирующих элементов определяли по стандартным методикам. Результаты химического анализа составов сплавав приведены в таблице 1.

Образцы 16 мм и длиной 150 мм получали методом направленной кристаллизации в вакууме 1,5 - 2,5 10³ мм рт.ст. по следующим режимам:

- температура заливаемого металла 1560 20^oC;

- температура формы 1540 - 1560^oC.

Направленная кристаллизация при получении образцов и деталей с качественной структурой осуществлялась одновременно с заливкой жидкого металла в формы, которые вытягивались из кристаллизатора со скоростью 8 - 10 мм/мин при градиенте температур на фронте кристаллизации, равным 60 - 80^o/см.

Для устранения внутренних напряжений в отливках применялось их термостатирование в керамических формах из Al₂O₃ при температуре 1200 10^oC и = 10 - 20". Поверхность образцов и деталей контролировалась путем выявления макроструктуры травлением в смеси соляной кислоты и перекиси водорода. Установлено, что при этих условиях заливки расплава и кристаллизации образцы и детали размером 50 х 100 х 5 мм не имеют нежелательных макрозерен вдоль направления роста, а также пор и рыхлот. Это свидетельствует о способности к получению качественной бездефектной направленной структуры.

Литейные свойства сплавав определялись путем заливки керамических форм со стержнями различного сечения. Установлено, что сплав обладает хорошей жидкотекучестью в вакууме. Из него получены для ресурсных испытаний сегменты жаровых труб без пор и рыхлот в соответствии с требованиями ТЗ.

С целью повышения прочности и жаростойкости при комнатной и высоких температурах, а также стабильности свойств литые полуфабрикаты и детали термообрабатывали на воздухе по следующему режиму:

отжиг при температуре 1000 20^oC в течение 25 часов, охлаждение на воздухе;

старение при температуре 500 20^oC в течение 50 часов, охлаждение на воздухе.

Свойства образцов предлагаемого сплава в различным соотношением компонентов и сплава-прототипа приведены в таблице 2.

Из таблицы 2 видно, что свойства жаропрочного сплава на основе никеля с химическим составом I, II, III (табл. 1) выше, чем свойства известного сплава-прототипа. Так, квота превосходства предела кратковременной прочности при комнатной температуре предлагаемого сплава перед сплавом-прототипом составляет 10%, пластичности при комнатной температуре 100%, сточасовой длительной прочности при температуре 1200^oC 20 - 25%; пятичасовой длительной прочности при этой же температуре 65 - 70%. Квота превосходства сточасовой длительности прочности при температуре 1250^oC предлагаемого сплава перед сплавом-прототипом составляет ~ 160%, по сопротивлению циклическому окислению при температуре 1200^oC до разрушения защитной оксидной пленки квота превосходства составляет 400 - 500%.

Сплав с положительным результатом опробован для отливки сегментов жаровых труб проектируемых перспективных камер сгорания авиационных ГТД, что позволяет испытать его в технологических изделиях. Применение сплава обеспечивает проектируемые параметры новых изделий с повышенным КПД, сроком службы и надежности.

Установлено, что предлагаемый сплав может быть использован также в высокотемпературных композиционных материалах в качестве металлической связующей для монокристаллических волокон из Al₂O₃. Эксперименты по заливке в вакууме при температурах 1650 - 1700^oC показали, что предлагаемый сплав химически и металлургически совместим с монокристаллическими волокнами Al₂O₃.

Предлагаемый сплав на основе никеля имеет простой химический состав, не имеет дефицитных и дорогостоящих легирующих элементов, таких как тантал и рений, что обеспечивает низкую стоимость выпуска этого сплава по сравнению с промышленными никелевыми сплавами. Он также обладает низкой плотностью 8000 кг/м³, высокой жаростойкостью и жаропрочностью при температурах 1200 - 1250^oC, что позволяет снизить вес деталей и увеличить срок их службы в 3 - 4 раза. Высокое сопротивление циклическим нагревом повышает надежность деталей и увеличивает их ресурс до первого ремонта. По экологической оценке предлагаемого материала условия его выплавки соответствуют промышленным никелевым сплавам и 60% отхода идет в передел.

Литература

1. Патент РФ N 1607422 кл. C 22 C 19/03.

1. Патент РФ N 2078443 кл. C 22 C 19/05.

1. Патент РФ N 2114206 кл. C 22 C 19/05.