жаропрочный сплав на основе никеля

Формула изобретения

Жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий хром, кобальт, алюминий, вольфрам, молибден, тантал, рений, рутений, церий, лантан, неодим, иттрий, углерод, бор, отличающийся тем, что он дополнительно содержит магний и/или кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

хром	2,5-4,5
кобальт	5,0-6,0
алюминий	5,4-6,0
вольфрам	3,5-4,5
молибден	2,8-3,8
тантал	5,3-6,3
рений	5,8-6,8
рутений	4,6-6,4
церий	0,001-0,02
лантан	0,002-0,1
неодим	0,0005-0,01
иттрий	0,002-0,02
углерод	0,002-0,05
бор	0,0004-0,004
магний
и/или кальций	0,001-0,009
никель	остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии сплавов, в частности к производству жаропрочных сплавов на основе никеля, предназначенных для изготовления методом направленной кристаллизации из них изделий с монокристаллической и направленной структурой, например лопаток газовых турбин, работающих длительно при температурах до 1150°С.

Известен жаропрочный сплав на основе никеля следующего химического состава, мас.%:

Хром	2,0-5,0
Кобальт	0,1-15,0
Алюминий	5,0-7,0
Вольфрам	4,0-8,0
Молибден	2,9-4,5
Тантал	4,0-8,0
Рений	3,0-6,0
Рутений	1,0-4,0
Гафний	0,01-0,5
Никель	остальное

(заявка US № 2003/0075247)

Известный сплав обладает недостаточно высокими характеристиками жаростойкости и длительной прочности: при рабочей температуре 1100°С потеря удельной массы сплава за 500 часов статического окисления составляет ~500 г/м² , время до разрушения при испытании на длительную прочность при напряжении 137,2 МПа составляет 412,3 часа.

Известен жаропрочный сплав на основе никеля марки TMS-196 следующего химического состава, мас.%:

Хром	4,6
Кобальт	5,6
Алюминий	5,6
Вольфрам	5,0
Молибден	2,4
Тантал	5,6
Рений	6,4
Рутений	5,0
Гафний	0,1
Никель	остальное

(A. Sato, H. Harada, An-C. Yen, at al. «A 5th generation SC superalloy with balanced high temperature properties and rocessability» //Superalloys 2008. R.C. Reed, K.A. Green, p. Caron et al. (Eds). Publ. of the Minerals, Metals & Materials Society. Seven Springs Mountain Resort, Champion (Pennsylvania), 2008, pp.131-138)

Известный сплав имеет низкую жаростойкость: при рабочей температуре 1100°С удельная потеря массы сплава за 20 циклов окисления общей длительностью 100 часов составляет ~90 г/м ².

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является жаропрочный сплав на основе никеля.

Жаропрочный сплав на основе никеля имеет следующий химический состав, мас.%:

Хром	2,1-3,3
Кобальт	5,0-7,0
Алюминий	5,7-6,3
Вольфрам	3,2-4,8
Молибден	3,5-5,0
Тантал	4,0-5,0
Рений	5,6-7,0
Рутений	2,0-6,0
Церий	0,001-0,02
Лантан	0,002-0,25
Неодим	0,0005-0,01
Иттрий	0,002-0,02
Углерод	0,002-0,02
Бор	0,0004-0,004
Никель	остальное (патент РФ № 2293782)

Дополнительные исследования показали, что сплав-прототип обладает недостаточно высокой жаростойкостью и длительной прочностью.

Технической задачей предлагаемого изобретения является улучшение жаростойкости и повышение длительной прочности жаропрочного сплава на основе никеля при рабочих температурах 900-1150°С.

Для достижения поставленной технической задачи предложен жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий хром, кобальт, алюминий, вольфрам, молибден, тантал, рений, рутений, церий, лантан, неодим, иттрий, углерод, бор, который дополнительно содержит магний и/или кальций, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Хром	2,5-4,5
Кобальт	5,0-6,0
Алюминий	5,4-6,0
Вольфрам	3,5-4,5
Молибден	2,8-3,8
Тантал	5,3-6,3
Рений	5,8-6,8
Рутений	4,6-6,4
Церий	0,001-0,02
Лантан	0,002-0,1
Неодим	0,0005-0,01
Иттрий	0,002-0,02
Углерод	0,002-0,05
Бор	0,0004-0,004
магний и/или
кальций	0,001-0,009
Никель	остальное

В металлургии жаропрочных сплавов на основе никеля с равноосной структурой известна положительная роль микролегирования магнием и/или кальцием, заключающаяся в повышении когезивной прочности границ зерен. Вместе с тем также известно, что в жаропрочные сплавы на основе никеля с монокристаллической и направленной структурой магний и кальций не вводятся, поскольку эти элементы значительно снижают температуру плавления никеля.

Однако было установлено, что введение магния и/или кальция в жаропрочный сплав на основе никеля при заявленном содержании и соотношении компонентов приводит к повышению характеристик жаростойкости и длительной прочности сплава в связи со способностью этих элементов образовывать тугоплавкие сульфиды и оксиды в виде высокодисперсных частиц с неизбежными примесями серы и кислорода.

Образование указанных химических соединений обусловлено тем, что в процессе кристаллизации магний и/или кальций из-за весьма низких коэффициентов распределения (K~0,001) сегрегируют в расплав и накапливаются в локальных объемах перед движущимся фронтом роста дендритных ветвей монокристаллической и направленно закристаллизованной отливки сплава, достигая при этом необходимых концентраций. Из-за рафинирующего эффекта содержание неизбежных вредных примесей серы и кислорода в объеме затвердевшего сплава понижается и, следовательно, снижается их отрицательное воздействие на жаростойкость и длительную прочность сплава, а также повышается способность сплава к формированию при направленной кристаллизации монокристаллической и столбчатой структуры. В результате повышается структурное совершенство сплава, способствуя улучшению жаростойкости и длительной прочности.

Пример осуществления

В вакуумной индукционной печи были выплавлены четыре сплава предлагаемого состава и один сплав состава, взятого за прототип. Содержание компонентов (мас.%) в композициях сплавов приведено в таблице 1. Затем эти сплавы переплавляли в вакуумной печи для направленной кристаллизации и получали цилиндрические отливки диаметром 16 мм и длиной 190 мм. Далее эти отливки подвергали термической обработке и изготавливали из них образцы для испытаний на жаростойкость и длительную прочность.

Полученные результаты испытаний на жаростойкость и длительную прочность сплавов приведены в таблице 2.

Как видно из таблицы 2, предлагаемый сплав имеет более высокую (на 30-40%) жаростойкость, чем сплав, взятый за прототип. Характеристики длительной прочности - долговечность (время до разрушения) предлагаемого сплава при температуре 900°С больше в 1,9 раза, при температуре 1100°С больше в 2,3 раза, при температуре 1150°С больше в 1,5, чем сплава, взятого за прототип.

Таким образом, предлагаемый жаропрочный сплав на основе никеля значительно превосходит сплав-прототип по характеристикам жаростойкости и длительной прочности, что позволяет повысить надежность и ресурс турбинных лопаток в интервале рабочих температур 900-1150°C.

Таблица 2
Пример	Характеристики жаростойкости при Т=1100°С за 20 циклов окисления общей длительностью 100 час	Время до разрушения при испытании на длительную прочность, час
Потеря удельной массы, г/м2	Глубина коррозии, мкм	Т=900°С =450 МПа	Т=1100°С =130 МПа	Т=1150°С =100 МПа
1	Сплав-прототип	35	43	619	831	295
2	Заявляемый сплав	18	29	1220	1754	448
3	20	30	1189	2062	469
4	23	33	1309	1698	431
5	25	32	1205	1975	492