Гранулируемый высокожаропрочный никелевый сплав и изделие, изготовленное из него
Владельцы патента RU 2623540:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU)
Изобретение относится к области металлургии, в частности к порошковой металлургии жаропрочных никелевых сплавов, и может быть использовано для изготовления высоконагруженных роторных деталей, работающих при температурах до 650-700°С в газотурбинных двигателях. Жаропрочный никелевый сплав содержит, мас. %: углерод 0,08-0,15; хром 10,5-12,5; кобальт 14,0-16,0; вольфрам 4,0-6,0; молибден 2,6-3,6; титан 2,5-3,5; алюминий 3,6-4,6; ниобий 3,0-4,0; тантал 0,1-1,3; гафний 0,05-0,2; ванадий 0,1-0,5; бор 0,005-0,05; цирконий 0,001-0,05; церий 0,001-0,05; скандий 0,01-0,1; магний 0,001-0,05; остальное - никель и неизбежные примеси. Сплав имеет высокую прочность и жаропрочность, обладает высоким сопротивлением малоцикловой усталости. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 табл.
Предлагаемое изобретение относится к области металлургии, в частности к порошковой (гранульной) металлургии жаропрочных сплавов на основе никеля, и может быть использовано для изготовления высоконагруженных роторных деталей, работающих при температурах до 650-700°С в газотурбинных двигателях. Жаропрочные сплавы на основе никеля для основных осесимметричных деталей газотурбинных двигателей должны обеспечивать высокие показатели кратковременной и длительной прочности, а также малоцикловой усталости при рабочих температурах. Материал должен быть технологичным в производстве для изготовления крупногабаритных заготовок перспективных авиационных двигателей или газотурбинных установок. Металлопорошковая композиция (гранулы) сплава может быть изготовлена различными методами, в частности газовой атомизацией или центробежным распылением вращающейся заготовки.
С применением методов порошковой металлургии, например газовой атомизации, обеспечивается снижение трудоемкости при изготовлении крупногабаритных заготовок основных деталей ГТД из высокожаропрочных сложнолегированных сплавов.
Известен высокотемпературный порошковый жаропрочный сплав на основе никеля для деталей газотурбинных двигателей следующего химического состава, мас. % (US №6969431 В2, опубл. 29.11.2005 г.):
| Углерод | 0,01-0,05 |
| Хром | 9,5-11,5 |
| Кобальт | 16,0-20,0 |
| Вольфрам | 4,3-6,0 |
| Молибден | 1,8-3,0 |
| Титан | 3,0-4,4 |
| Алюминий | 3,0-4,2 |
| Ниобий | 0,5-1,5 |
| Тантал | 1,0-2,0 |
| Бор | 0,01-0,04 |
| Цирконий | 0,04-0,15 |
| Никель | остальное |
Данный сплав обладает высокой рабочей температурой до 760°С, однако обеспечивает недостаточно высокий предел текучести σ0,220=1160 МПа и длительную прочность при 650°С σ100650=950 МПа.
Известен жаропрочный порошковый сплав на основе никеля следующего состава, мас. % (RU №2294393, опубл. 27.02.2007 г.):
| Углерод | 0,02-0,10 |
| Хром | 9,0-11,0 |
| Кобальт | 14,0-16,0 |
| Вольфрам | 5,2-6,8 |
| Молибден | 3,0-3,9 |
| Титан | 3,0-3,9 |
| Алюминий | 3,2-4,5 |
| Ниобий | 1,2-2,4 |
| Гафний | 0,05-0,5 |
| Бор | 0,005-0,05 |
| Цирконий | 0,001-0,05 |
| Магний | 0,001-0,05 |
| Марганец | 0,001-0,5 |
| Кремний | 0,001-0,5 |
| Железо | 0,001-1,0 |
| Никель | остальное |
Недостатком этого сплава являются низкие характеристики прочности (σв20=1501 МПа), что приводит к увеличению удельного веса изделий, а также низкое сопротивление малоцикловой усталости (σ0650гл=1120 МПа на базе 104 цикл), что снижает ресурс работы деталей газотурбинного двигателя.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по составу и назначению аналогом (прототипом) является порошковый жаропрочный никелевый сплав, который содержит компоненты в следующем соотношении, мас. % (RU №2368683, опубл. 27.09.2009 г.):
| Углерод | 0,03-0,08 |
| Хром | 10,0-12,0 |
| Кобальт | 14,0-16,0 |
| Вольфрам | 2,5-3,5 |
| Молибден | 4,0-5,0 |
| Титан | 2,5-3,1 |
| Алюминий | 3,5-4,4 |
| Ниобий | 3,0-3,5 |
| Гафний | 0,005-0,2 |
| Ванадий | 0,4-0,8 |
| Бор | 0,005-0,05 |
| Церий | 0,001-0,05 |
| Лантан | 0,001-0,08 |
| Скандий | 0,001-0,05 |
| Магний | 0,001-0,05 |
| Железо | 0,01-1,0 |
| Марганец | 0,001-0,5 |
| Кремний | 0,001-0,5 |
| Никель | остальное |
Из уровня техники известно, что данный сплав обладает высокими прочностными свойствами (σв20≥1545 МПа), однако имеет недостаточную длительную прочность, и сопротивление малоцикловой усталости при 650°С (σ0650гл=1099 МПа на базе 104 цикл). В составе сплава допускается максимальное суммарное содержание примесей железа, марганца и кремния до 2%, что не позволяет обеспечить высокую малоцикловую усталость по причине образования охрупчивающих оксикарбидных фаз.
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка жаропрочного никелевого сплава для изготовления высоконагруженных деталей перспективных газотурбинных двигателей из металлопорошковых композиций (гранул). Материал должен обеспечивать высокие прочностные свойства, длительную прочность и малоцикловую усталость при повышенных температурах.
Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении характеристик длительной прочности и сопротивления малоцикловой усталости при 650°С при сохранении высокой прочности жаропрочного никелевого сплава, что в комплексе позволяет одновременно увеличить ресурс работы двигателя и снизить его удельный вес.
Предлагаемый порошковый жаропрочный сплав на никелевой основе содержит углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, алюминий, ниобий, гафний, ванадий, бор, церий, скандий, магний, тантал и цирконий при следующем соотношении компонентов, мас. %:
| Углерод | 0,08-0,15 |
| Хром | 10,5-12,5 |
| Кобальт | 14,0-16,0 |
| Вольфрам | 4,0-6,0 |
| Молибден | 2,6-3,6 |
| Титан | 2,5-3,5 |
| Алюминий | 3,6-4,6 |
| Ниобий | 2,5-4,0 |
| Тантал | 0,1-1,3 |
| Гафний | 0,05-0,2 |
| Ванадий | 0,1-0,5 |
| Бор | 0,005-0,05 |
| Цирконий | 0,001-0,05 |
| Церий | 0,001-0,05 |
| Скандий | 0,01-0,1 |
| Магний | 0,001-0,05 |
| Никель | остальное |
Сплав дополнительно может содержать до 0,8% рения.
Суммарное содержание кобальта и хрома должно находиться в пределах от 25 до 27 мас. %.
Соотношение содержания суммы молибдена и вольфрама с суммой титана, алюминия и ниобия может составлять () от 0,75 до 0,80 в мас. %.
Предложено также изделие, изготовленное методами порошковой (гранульной) металлургии из металлопорошковой композиции (гранул) заявленного сплава. В качестве метода производства гранул может быть применен метод газовой атомизации.
Увеличенное содержание углерода, повышенное содержание карбидообразующих элементов (вольфрама, титана и ниобия) и добавление еще одного карбидообразующего элемента, тантала, в заявленных количествах приводят к повышению длительной прочности за счет образования упрочняющих термодинамически стабильных карбидных фаз типа МеС.
Влияние тантала на механические свойства также проявляется в том, что основная его часть входит в состав упрочняющей интерметаллидной фазы γ' на основе соединения Ni3Al, увеличивая ее содержание в сплаве, что позволяет повысить длительную прочность. Остаток тантала распределяется в твердом растворе никеля, повышая его стабильность и, соответственно, увеличивает прочностные характеристики материала.
Комплексное микролегирование редкими и редкоземельными элементами в указанных количествах (бор, цирконий, церий, скандий, магний) применено для удаления вредных примесей (кислорода, азота, серы и др.), дополнительного упрочнения границ зерен и снижения энергии дефекта упаковки твердого раствора, что позволяет сохранить мелкозернистую структуру материала и, тем самым, повысить сопротивление малоцикловой усталости при рабочих температурах.
В предлагаемом сплаве вместо микролегирования лантаном применен цирконий, так как последний в процессе выплавки ведет себя стабильнее и лучше усваивается, даже при условии применения лигатуры никель-лантан. Пониженное содержание молибдена в предлагаемом сплаве по сравнению со сплавом-прототипом позволяет увеличить содержание вольфрама, имеющего более высокую температуру плавления и энергию межатомной связи. Замена части молибдена на вольфрам позволила дополнительно повысить длительную прочность материала.
Предлагаемый сплав в процессе производства гранул обеспечивает идеально сферическую форму частиц без внутренних пор. В результате компактирования в заготовках формируется однородная мелкозернистая рекристаллизованная структура с равномерным распределением карбидов, а также без проявления наследственных границ гранул. В результате повышается длительная прочность и сопротивление малоцикловой усталости при 650°С при сохранении высокой прочности жаропрочного никелевого сплава, что в комплексе увеличивает ресурс работы двигателя и снижает его удельный вес.
Пример осуществления
С целью практического осуществления в лабораторных условиях в вакуумной индукционной печи были выплавлены заготовки под распыление предлагаемого сплава (примеры 1-3) и сплава-прототипа (пример 4), состав которых представлен в таблице 1.
Из полученных заготовок под распыление после удаления остатков литейной чаши и разрезки были произведены соответствующие металлопорошковые композиции (гранулы) крупностью менее 100 мкм методом газовой атомизации. Заготовки расплавляли в плавильной камере установки распыления в керамическом тигле посредством наведения электромагнитной индукции. После расплавления и перегрева расплава на необходимую температуру жидкий металл подавали по ведущей трубке в камеру распыления, где посредством газовой форсунки производили разбиение потока жидкого металла струей инертного газа под давлением.
После аэродинамической сепарации и рассева полученными гранулами крупностью менее 100 мкм заполняли стальные капсулы диаметром 100-250 мм и высотой до 100 мм.
Затем проводили горячее изостатическое прессование герметизированных капсул с гранулами, закалку и старение. Из заготовок вырезали образцы для проведения механических испытаний. Результаты испытаний приведены в таблице 2.
Из таблицы видно, что предлагаемый сплав превосходит прототип по длительной прочности; сопротивление МЦУ выше на 7%. При этом прочностные и пластические характеристики рассматриваемых сплавов близки.
Таким образом, применение сплава предлагаемого состава в качестве материала высоконагруженных деталей горячего тракта ГТД, таких как турбинные диски, дефлекторы, проставки и валы, позволит повысить ресурс работы и увеличить надежность эксплуатации.
1. Порошковый жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, титан, алюминий, ниобий, гафний, ванадий, бор, церий, скандий, магний, отличающийся тем, что дополнительно содержит тантал и цирконий при следующем соотношении компонентов, мас. %:
| Углерод | 0,08-0,15 |
| Хром | 10,5-12,5 |
| Кобальт | 14,0-16,0 |
| Вольфрам | 4,0-6,0 |
| Молибден | 2,6-3,6 |
| Титан | 2,5-3,5 |
| Алюминий | 3,6-4,6 |
| Ниобий | 2,5-4,0 |
| Тантал | 0,1-1,3 |
| Гафний | 0,05-0,2 |
| Ванадий | 0,1-0,5 |
| Бор | 0,005-0,05 |
| Цирконий | 0,001-0,05 |
| Церий | 0,001-0,05 |
| Скандий | 0,01-0,1 |
| Магний | 0,001-0,05 |
| Никель | остальное |
2. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит до 0,8% рения.
3. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что суммарное содержание кобальта и хрома находится в пределах от 25 до 27 мас. %.
4. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что суммарное содержание молибдена и вольфрама к суммарному содержанию титана, алюминия и ниобия составляет 
от 0,75 до 0,80 в мас. %.
5. Изделие из порошкового жаропрочного сплава на основе никеля, отличающееся тем, что оно изготовлено из порошкового жаропрочного сплава на основе никеля по любому из пп. 1-4.
6. Изделие по п. 5, отличающееся тем, что оно изготовлено из гранул, полученных методом газовой атомизации.
