Жаропрочный сплав на основе никеля

Союз Советских Социалистических Республик(22) Заявлено 010378 (2) 2593286/22-02с присоединением заявки Нов(51) М. Кл. С 22 С 19/05 Госуаарственный комитет СССР но делам изобретений н открытий(72) Авторы иэсбретения В.В.Ртищев, Т.И.Гребцова, В.В.Новиков и Н.М.Веселова Научно-производственное объединение по исследованиюн проектированию энергетического оборудования (ЦКТИ),Завод "Электросталь" и Производственное объединение(54) ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ ХромТитанАлюминийВольФрамИолибденБор 15,0-17,01,2-1,61,2-1,66,5-10,03,5-4,5Не более 0,03(по расчету) 30 Изобретение относится к металлур- гии сплавов, в частности сплавов,содержащих никель в качестве основы и используемых для изготовления лопаток, дисков и других деталей газотурбинных установок. В настоящее время в металлургии для изготовления лопаток, дисков и других деталей газовых турбин широко применяются жаропрочные сплавы на основе никеля, содержащие в качестве легирующих добавок хром, титан, алюминий, вольфрам, молибден, углерод и ряд других элементов. Выбор конкретного сплава определяется конструктивными особенностями лопаточнохо аппарата, уровнем действующих напряжений и соображениями экономичности, В условиях работы лопаточного аппарата при максимальных температурах до 750 С и при наличии относительно невысоких рабочих напряжений применяются как правило низколегированные и относительно дешевые жаропрочные сплавы на никелевой основе, не содержащие дефицитного элемента - кобальта. Благодаря невысокому содержанию основных легирующнх элементов алюминия и титана низколегированные сплавы обладают сравнительно хорошей технологичностью и обрабатываемостью,Известен жаропрочиый сплав на основе никеля 1 следукеяего химического состава, вес.Ъ:Хром 12,0-18,0 Вольфрам 6,1-12,0 Молибден 2,0-6,0 НиобийАлюминий 0,01-2,1 Цирконий 0,005-0,8 Церий 0,005-0, 5 Ни кель Остальное данный сплав используется в сварных конструкциях, работающих при 800- 850 С до 1000 ч. Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является жаропрочный сплав на основе никеля ( 2) следующего химического состава, вес.В;10 Ъб Значительное понижение пластичности и вязкости сплава - прототипа после длительной эксплуатации - его существенный недостаток, поскольку риводит к уменьшению надежности и 65 Не более 0,025(по расчету)Углерод Не более О 06Никель ОстальноеСплав может содержать примеси, вес.%;железо - не более 3,0 кремний - неболее 0,6, марганец - не более 0,5,сера - не более 0,012, фосфор - неболее 0,015, медь - не более 0,07.Сплав обладает следующими свойстамии;При комнатной температуреУсловный предел текучести кгс/мм 350Предел прочности,кгс/мм 85Относительное удлинение, % 20Относительное сужение,% 25Ударная вязкость,кгсм/см 2при 750 СПредел прочности, 20кгс/мм )65Относительное удлинение, В )11Относительное сужение,% )15Для получения требуемого уровня 25механических свойств рекомендуетсятермическая обработка по одному издвух режимов1) 1160-11800 С, 2 ч, воздух ++ 800 С, 12 ч, воздух;2) 1160-1180 С, 2 ч, воздух +1000 С 4 ч, воздух + 900 С,8 ч, воздух + 850 С, 15 ч, воздух.Пределы длительной прочности известного сплава 21 составляют;35(7 "с = 22 0 кгс/мму 7 дооо = 15 кгс/мм7 О 2т 5 ОИзвестный сплав является основным 40материалом для изготовления рабочихлопаток в широко распространенныхстационарных газовых турбинах типаГТ-6, ГТК - 10-2, ГТН - 9, ГТН - б,ГТ - 100 и некоторых других. Послетермической обработки сплав обладаетотносительно .высокой пластичностьюи вязкостью. Удовлетворительные значения удлинения, сужения и ударнойвязкости сохраняются для сплава ипосле длительных изотермических выдержек при температуре 650 С и более.Однако его специфический химическийсостав, в частности повышенное содержание в нем вольфрама, определяетразвитие при длительном старении в 55области температур, ниже 600 С процессов дальнего упорядочения матрицы.Это приводит к охрупчиванию сплавапри длительной эксплуатации. ресурса работы газотурбинных установок.Еще одним недостатком сплава является его склонность к повышенной ликвационной. неоднородности,особенно в слитках большого развеса, При наличии большой ликвации наблюдаются пониженные характеристики пластичности и вязкости. Одна из причин повышенной ликвации. - весьма высокое содержание в сплаве вольфрама,Целью изобретения является повышение пластичности и вязкости после длительной эксплуатации.Это достигается тем, что в известном жаропрочном сплаве на основе никеля, содержащем хром, Титан, алюминий, вольфрам, молибден, бор, церий и углерод, содержание всех указанных компонентов принимается в следующем соотношении, вес.Ъ:Хром 14,5-16,0Титан 1,2-1,6Алюминий 1,2-1,6Вольфрам 6,0-7,5Молибден 3,5-4,5Бор 0,001-0,02Церий 0,001-0,025Углерод О 01-0,06Никель ОстальноеСодержание примесей металлургического производства в предлагаемом сплаве соответствует принимаемому для прототипа и составляет, вес,%: железо - не более 3,0, кремний - не более 0,6, марганец - не более 0,5, сера не более 0,012, фосфор - не более 0,015, медь - не более 0,07.Содержание вольфрама в предложенном сплаве снижено по сравнению с известным 2 1 до 6,0-7,5, Это отличие является существенным, поскольку определяет воэможность повышения пластичности и вязкости после длительной эксплуатации. При содержании вольфрама 60-75 заметно понижается содержание его в матрице и значительно понижается критическая температура упорядочения Т (от 580-630 С до 540-570 С). В результате в пределах предложенного состава процесс дальнего упорядочения матрицы или не имеет места вообще, или получает очень незначительное развитие, Снижение величин до 540-570 С означает, что температурная область возможного развития процесса упорядочения пониожается до 480-510 С. При таких температурах для полного довыделения у -Фазы требуется значительный промежуток времени, не менее 60000 ч. Поэтому аномальное охрунчивание при пониженном до 6,0-75 содержании вольфрама или вообще не происходит, или имеет место в весьма незначительной степени после достаточно продолжительной работы материала. Верхний предел содержания вольфрама 753 в предложенном сплаве выбран с учетом701166 Таблица 1 Химический состав сплавов Клей моСплав Сг Я Ио Т Р С В Се М 15,99 7,50 4,42 1,58 1,59 0,055 0,02 0,02 Ост. 1. Предложенный 14,57 6,05 3,52 1,23 1,21 0,012 0,001 0,01 Ост. 2. 1,43 1,40 0,0401,33 1,38 0,03 4,01 3,91 0,015 Ост.0,02 Ост,0,015 0,01 15,08 6,53 "5,95 9,29 3,4. Известный 15,83 9,02 3,96 1,46 1,41 0,02 0,01 0,02 Ост.15 ю 38 8 ю 84 Зк 90 1 фЗО 1 ю 33 Ок 02 Оф 01 002 о Ост5. Таблица 2 Механические свойства сплавов при комнатной и повышенной температурах после стандартнойтермической обработки 20 1,1 53 О 94 О 49 5 38 6 550 - 42,9 73,3 51,0 . 45,7 650 - 42,5 76,7 41,939,3 750 464 801 208 281 Предложенный 20 14,3 53,8 98,8 39,1 550 - 43 О 78 3 50 8 44,8 650 - 42,8 76,3 42,3 39,7 750 - 47,4 81,0 22,9 27,6 49,2 2. Предложенный этих соображений, Нижний предел содержания вольфрама ограничен величиной6,0 с целью сохранения достаточновысокой жаропрочности. Понижение содержания вольфрама в предложенномсплаве позволяет также повысить уровень характеристик пластичности и вязкости после технологической термической обработки вследствие уменьшениястепени ликвационной неоднородности,что определяет получение повьвкнныхпластических свойств и вязкости также и после длительной эксплуатации. Содержание титана, алюминия, молибдена, а также углерода, бора и церия оставлено в тех же пределах также с целью сохранения относительно высокой прочности и жаропрочности. Повыаение пластичности и вязкости после длительной эксплуатации снижением содер ания этих элементов возможно, но нецелесообразно. При маломсодержании алюмингл, титана и молибдена даже незначительное дальнейшееуменьшение их количества приводит крезкому понижению характеристик кратковременной и длительной прочности.Содержание хрома в предложенномсплаве составляет 14,5-16,0 с цельюуменьшения склонности к развитию процесса дальнего упорядоченйя в предельно легированных заявленных композициях. Значительное понижение содержания хрома, до 14 и менее, нецелесообразно по соображению высокой жаростойкости сплава,Характеристики предлагаемого и известного сплавов приведены в табл,1-5.701166 Продолжение табл, 2 7 8 3. Предложенный 20 14,0 53,1 42,8 98,0 39,6 44,1 550 78,9 650 41,9 46,3 77,0 39,2 750 81,2 27,3 4. Известный 2 20 7,514,0 550 650 750 5. Известный 20 7, 3 49,2 94,.1 35,4 30,5 11 4 63,1 105,7 45,5 38,8 20 5,4 45,2 88,9 35,7 б. Известный 28,5 36,2 97,348,8 12,0 57,5 Т а б л и ц а 3 Механические свойства сплавов при комнатнойи повышенной температурах после старения Относительноесужение,Режим старения Темпера Ударнаятура вязи спыт а - кост ь,ния, С кгсм/см Пределтекучести,кгс/мм Относи- тельное Клеймо Предел прочности,г кгс/мм Сплав удлинение,% 550 С, 3000 ч 20 10,7 62,1 93,1 46,1 36,6 550 50,6 82,2 47(7 46,6 650 С, 3000 ч 20 25,4 29,6 28,8 27,8 65,2 102,6 6,6 98,0 56,9 650 53,8 43,8 22,2 27,3 26,824,5 95,9 72,6 5,0 750 650 С, 3000 ч 20Ф 550 С, 3000 ч 550 38,8 95,0 87,2 85,4 31,4 67,6 56,89 5,6 35,8 26,4 34,0 26,8 650 550 С, 3000 ч + 20 650 С, 3000 ч 550 62,9 54,7 52,0 5,5 97, 3 31," 31,4 87,2 38,9 39,3 77,7 25,8 29,9 650 1. Предложенный 750 С, 3000 ч 20 49,6 67,6 42,2 56,3 41,1 54,3 46,6 57,0 92,9 111,8 73,9 78,3 82,8 88,5 72,3 76,4 48,9 50,1 41,9 22,5 28,5 40,5 30,5 40,5 35,0 41,3 10,6 20,8 28,5 42,1 40,0 45,4 33,7 41,6 12,8 17,4(.31 о1 оы1 О о Ю л л 2 х х М о " Ц В 2 о Ф 03 й с 1 Ф Э хох ихх одэ х ц Мю ойЬ1йЭ 1 11 Э 1С.3 С. о Со О,С 3 О 3,О ло о С СЛ сЛ ЧО Оп 3 1"13 701166 Таблица 4 Пластические свойства сплавов после старенияпри испытании с постоянной скоростью деф рмации 1, 0 - 1, 3/ч Клеймо Относитель Относительное удли- ное сужение, нение, Ъ В Сплав 23,1 25,3 18,2 32,0 650 35,9 33,0 42,1 45,0 650 С, 3000 ч + 550550 С, 3000 ч 18,8 29,6 32,7 33,2 22,3 22,5 650 550 Сч+650 Сч 650 18,4 22,3 550 С,ЗООО ч + 650650 С,ЗООО ч 22,8 19,1 25,9 33, О 650 23,1 21,0 21,6 5. Известный 19,8 28,8 5,813,9 650 С,ЗООО ч+ 550 С,ЗООО ч б, Известный 1. Предложенный 550 С, 3000 ч 550 650 С,ЗООО ч 550 65015 701166 16 Таблица 5 Длительная прочность сплавов Время доразрушения,ч Относительное удлинение,Ъ Режим испытания Клеймо т носиСплав ельноеужене,21 Предложенный 650 Скгс/мм 3298 3, 9 б, 3 750 Скгс/мм 9713 16,1 20,5 Известный 650 Скгс/мм 850 -о24000 750 Скгс/мм 2000 о25000 Нижний и. верхний пределы времени до разрушения Г прототипа представляют минимальные и средние значения,определенные на сплаве штатного производства. Предложенный сплав был выплавленна заводе "Электросталь" в открытойиндукционной печи емкостью 50 кгпо технологии, принятой для известного 2). Передел слитков производился также по стандартной технологиии заключался в горячей ковке на диаметре 35 мм., Механические свойства сплавов исследовались как после стандартнойТврмообработки (табл. 2), так и послестарения по изотермическим режимамили по режимам, моделирующим длительиув эксплуатацию табл. 3,4), Применялись режимы изотермического старения при температурах 550 650 ф н 750 Св течение 3000 ч, а также двухступенчатыв прямые и обратные режимы 650 С,3006 ч + 550 С, 3000 ч и 550 С,ЗООО ч + б 50 фС, 3000 ч соответственно,45Из даищис табл. 2 следует, что вязкость и пластичность предложенногоадлава при комиатной и повышеннойтемпературах весьма высокие, но лищьнезначительно превышают таковые для 50известного 2. Аналогичное явлениеимеет место также после иэотермического старения в течение 3000 ч повсей йсследованной области темпера,тур и, после обратного двухступенчатогоустарюния с окончанием его при температуре 650 фС (табл. 3). В этом случае дальний порядок атомов матрицыне образуется, и аномально большогоснижения пластичности и вязкости ненаблюдается. С понижением содержания фОхрома и вольфрама в известном сплавевязкость и пластичность несколькоповьаиаются (4,5,6 в табл. 3). Пони,менное содержанйе вольфрама в предложенном сплаве определяет поэтому 45 некоторое повьндение его вязкости ипластичности по сравнению с известным даже в тех случаях, когда дальнеупорядоченного состояния атомовматрицы в последнем не образуется.Однако после двухступенчатого старения по прямому режиму 6500 С,ЗООО ч ++ 550 С, 3000 ч, когда по даннымфизических исследований (в том числепрямых нейтронографических) наблю)дается дальнее упорядочение матрицыизвестного сплава, еге вязкость в2,5-3 раз, а пластичность прн комнатной температуре в 3-4 раза меньше,чем у предложенного сплава (табл,З),Существенно, что низкие величины вязкости и относительного ууйинениянаблюдались в этом случае для известного сплава при.различном содержаниивольфрама в пределах марочного состава н прн содержании хрома, не превышающем 16, т,е. не превышающем верхнее его содержание в предлагаемомсплаве (табл. 1). Учитывая, что содержание титана, алюминия и молибдена в предлагаемом сплаве находитсяна уровне известного, можно считатьпоэтому доказанным, что повышеннаяпластичность и вязкость объектаизобретения - следствие пониженногосодержания вольФрама,Наряду со стандартными испытаниями механических свойств при комнатной и повышенной температурах, после старения проводились также испытания с малой постоянной скоростью деформации 1,0-1,3/ч при температурах 550 и 650 С, т.е. ниже и выше критичесокой температуры упорядочения Тс известного сплава (табл. 4). Выявлено,701166 18 Формула изобретения Составитель Г. Дудик Редактор М,Смирнова Техред М. Рейвес Корректор С, КорниенкоЗаказ 6716/61 Тираж 681 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5Филиал ППП "Патент", г, Ужгород, Ул. Проектная, 4 что независимо от режима старения пластичность предложенного сплава при повышенных температурах испытания весьма высокая и заметно больше, чем у известного. Особенно велика эта разница для режима прямого двухступенчатого старения 650 С, 3000 ч + + 550 ОС, 3000 ч при температуре испытания 550 С, когда дальнеупорядоченное состояние атомов матрицы про- тотипа сохраняется. При температуре испытания 650 С независимо от режима старения различие характеристик пластичности предложенного сплава и известного значительно уменьшается вследствие разрушения дальнего порядка.Для проверки возможного охрупчивания предложенного сплава при температурах менее 550 С проводилось прямое трехступенчатое старение по режиму 650 С, 3000 ч + 550 ОС,ЗООО ч + + 500 С, 3000 ч, С помощью физических методов (удельное электросопротивление, термо-ЭДС), установлено, что даже при таком стаюении значительного развития процесс дальнего упорядочения не имеет места, и структура атомов матрицы характеризуется переходным состоянием между ближним и дальним порядком или дальним порядком с весьма малой степенью. После прямого трехступенчатого старения величины О ипри температуре 550 С составляли 20 25 и 2125 при испытании со скоростью деформации 1,0/ч.Испытания на длительный разрыв показали, что предложенный сплав обладал значительно более высокой пластичностью и вязкостью после длительной эксплуатации, чем известный, не уступает ему по жаропрочности (табл. 5), При температуре 650 С н напряжении 45 кгс/мм время до разрушения Т предложенного сплава близко к среднему для известного, а при температуре 750 С и напряжении 20 кгс/мм 2 даже заметно превышает какминимальное, так и среднее значениеизвестного сплава,Технико-экономический эффект приприменении предлагаемого сплава какматериала рабочих лопаток газовыхТобин в денежном выражении можетбыть весьма значительным. В настоящеевремя только турбин ГТКс рабочими лопатками из сплава - прототипаежегодно производится и вступает встрой по 50-60 штук, а к концу десятой пятилетки намечается увеличитьих производство до 100 штук в год.На одной турбине ГТКнаходится158 лопаток стоимостью 200 руб каж дая.Технология выплавки, горячей механической и технологической термической обработок предлагаемого сплаване изменяется по сравнению с исполь зуемой для известного. Жаропрочный сплав на основе няке ля, содержащий хром, титан, алюминий,вольфрам, молйбден, бор, церий иуглерод, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью повышения пластичности и вязкости после длительной З эксплуатации, он содержит компонентыв следующем соотношении, вес.:Хром 14,5-16,0Титан 1,2-1,6Алюминий 1,2-1,6Вольфрам 6,0-7,5Молибден 3,5-4,5Бор 0)001-0,02Церий 0,001-0,025Углерод 0(01-0,06Никель Остальное 40 Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРР 441323, кл. С 22 С 19/00, 1973.2. ТУ 14-1-322-72, сплав ЭИ 893.