×
20.02.2019
219.016.c124

ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
№ охранного документа
0002325453
Дата охранного документа
27.05.2008
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к жаропрочному сплаву на основе никеля и может быть использовано, в частности, для изготовления монокристаллических деталей или деталей с направленно кристаллизованной структурой, например лопатки газовых турбин. Сплав имеет следующий химический состав, вес.%: 7,7-8,3 Cr; 5,0-5,25 Со; 2,0-2,1 Мо; 7,8-8,3 W; 5,8-6,1 Та; 4,9-5,1 Al; 1,3-1,4 Ti; 0,11-0,15 Si; 0,11-0,15 Hf; 200-750, предпочтительно 200-300 ppm С; 50-400, предпочтительно 50-100 ppm В; остальное - никель и технологические примеси. Сплав характеризуется очень высокими литейными свойствами и большой устойчивостью против окисления. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 5 ил.
Реферат Свернуть Развернуть

Область техники

Изобретение относится к области материаловедения. Оно касается жаропрочного сплава на основе никеля, предназначенного, в частности, для изготовления из него монокристаллических деталей (сплав SX) или деталей с направленно кристаллизованной структурой (сплав DS), как, например, лопатки для газовых турбин. Однако сплав согласно изобретению применим и для получения традиционно отливаемых деталей.

Уровень техники

Упомянутые жаропрочные сплавы на основе никеля известны. Монокристаллические детали из таких сплавов обладают при высоких температурах очень хорошей прочностью. В результате становится возможным, например, увеличить температуру в регулирующей ступени газовых турбин, что повышает эффективность последних.

Жаропрочные сплавы на основе никеля, предназначенные для монокристаллических деталей, такие, как известные из US 4643782, ЕР 0208645 и US 5270123, содержат в себе дополнительно упрочняющие твердый раствор легирующие элементы, например, Re, W, Мо, Со, Cr, а также образующие γ'-фазы элементы, например Al, Та и Ti Содержание тугоплавких легирующих элементов (W, Мо, Re) в основной матрице (аустенитной γ-фазе) непрерывно возрастает с ростом температуры нагружения сплава. Так, например, обычные жаропрочные сплавы на основе никеля содержат в себе для получения монокристаллов 6-8% W, до 6% Re и до 2% Мо (данные в вес.%). Раскрытые в приведенных выше публикациях сплавы характеризуются высоким пределом ползучести, хорошей низко- и высокоциклевой усталостью, а также высокой устойчивостью против окисления.

Указанные известные сплавы разработаны для авиационных турбин и поэтому оптимизированы в расчете на кратко- и среднесрочное применение, т.е. продолжительность нагружения рассчитана на около 20000 часов. В противоположность этому детали для промышленных газовых турбин должны рассчитываться на продолжительность нагружения до 75000 часов.

После нагружения в течение 300 часов, например, известный из US 4643782 сплав CMSX-4 при экспериментальном применении в газовой турбине при температуре свыше 1000°С характеризовался очень сильным укрупнением фазы γ', которое сопровождалось недостатком в виде повышения скорости ползучести сплава.

Таким образом существует необходимость в повышении устойчивости известных сплавов против окисления при очень высоких температурах.

Еще одной проблемой, связанной с известными, например, из US 5435861, жаропрочными сплавами на основе никеля, является то, что литейные свойства при изготовлении крупных деталей, например лопаток газовых турбин длиной более 80 мм, оставляют желать лучшего. Отливка безупречной, относительно крупной монокристаллической, направленно затвердевшей детали из жаропрочного сплава на основе никеля представляется чрезвычайно трудной, так как большая часть таких деталей содержит дефекты, например малоугловые границы зерен, "матовые пятна" (дефектные участки, обусловленные цепью равнонаправленных зерен с высоким содержанием эвтектики), равноосные рассеянные границы, микропористость и пр. Такие дефекты снижают прочность деталей при высоких температурах, вследствие чего не достигается требуемая долговечность или рабочая температура турбины. Однако из-за того, что безупречно отлитая монокристаллическая деталь является чрезвычайно дорогостоящей, в промышленности отмечена тенденция, при которой дефекты допускаются в количестве, не снижающем долговечность или рабочую температуру.

Наиболее частым дефектом служат границы зерен, которые являются особо вредными для высокотемпературных свойств монокристаллических изделий. Если малоугловые границы зерен в небольших деталях оказывают сравнительно небольшое воздействие на свойства, то для литейных свойств и окисляемости крупных деталей из сплавов SX или DS при высоких температурах они имеют большое значение.

Границы зерен представляют собой области крупного местного дефекта кристаллического строения решетки, так как в этих областях граничат между собой соседние зерна и вызывают этим определенную дезориентацию между кристаллическими решетками. Чем больше такая дезориентация, тем крупнее дефект кристаллического строения, т.е. тем больше количество дислокации по границам зерен, которые необходимы для соответствия обоих зерен между собой. Такой дефект кристаллического строения находится в прямой связи со свойствами материала при высоких температурах. Он ослабляет материал в том случае, когда температура возрастает свыше эквикогезионной температуры (=0,5 х точку плавления по Кельвину).

Указанный эффект известен из GB 2234521 А. Так, например, в обычном монокристаллическом сплаве на основе никеля временное сопротивление при температуре испытания 871°С экстремально уменьшалось в том случае, когда дезориентация зерен превысила 6°. Это было отмечено и для монокристаллических деталей с направленно затвердевшей структурой, в результате чего в целом было сформулировано мнение, что не следует допускать дезориентации свыше 6°.

Из упомянутого документа GB 2234521 А также известно, что благодаря обогащению жаропрочных сплавов на основе никеля бором или углеродом при направленном затвердевании образуются структуры, характеризующиеся равноосной или призматической структурой зерен. Углерод и бор упрочняют границы зерен, так как С и В вызывают выделение карбидов и боридов по границам зерен, которые являются стойкими при высоких температурах. Кроме того, присутствие таких элементов снижает диффузионный процесс на границах зерен и вдоль их, который является основной причиной ослабления по границам зерен. Поэтому можно увеличивать дезориентацию до 10-12° и тем не менее достигать высоких свойств материала при высоких температурах. Такие малоугловые границы зерен негативно воздействуют особенно на свойства крупных монокристаллических деталей из жаропрочных сплавов на основе никеля.

Раскрытие сущности изобретения

Целью изобретения является устранение перечисленных недостатков. В изобретении поставлена задача создания жаропрочного сплава на основе никеля, обладающего улучшенными литейными свойствами и более высокой устойчивостью против окисления по сравнению с известными жаропрочными сплавами на основе никеля. Кроме того, этот сплав должен быть пригоден, в частности, для изготовления, например, крупных монокристаллических деталей для газовых турбин длиной более 80 мм.

Согласно изобретению указанная задача решается за счет того, что жаропрочный сплав на основе никеля согласно изобретению имеет следующий химический состав (данные указаны в вес.%):

7,7-8,3 Cr

5,0-,25 Со

2,0-2,1 Мо

7,8-8,3 W

5,8-6,1 Та

4,9-5,1 Al

1,3-1,4 Ti

0,11-0,15 Si

0,11-0,15 Hf

200-750 ppm C

50-400 ppm B

остальное - никель и технологические примеси.

Преимущества изобретения состоят в том, что сплав обладает очень высокими литейными свойствами и по сравнению с настоящим уровнем техники характеризуется улучшенной устойчивостью против окисления при высоких температурах. Особое преимущество достигается при следующем составе сплава:

7,7-8,3 Cr

5,0-5,25 Со

2,0-2,1 Мо

7,8-8,3 W

5,8-6,1 Та

4,9-5,1 Al

1,3-1,4 Ti

0,11-0,15 Si

0,11-0,15 Hf

200-300 ppm C

50-100 ppm B

остальное - никель и технологические примеси.

Данный сплав исключительно пригоден для изготовления крупных монокристаллических деталей например лопаток газовых турбин.

Краткое описание чертежей

На чертежах представлен пример осуществления изобретения в виде квазиизотермических диаграмм окисления. При этом изображено на:

фиг.1 зависимость изменения удельной массы контрольного сплава VL1 от температуры и времени,

фиг.2 зависимость изменения удельной массы контрольного сплава VL2 от температуры и времени,

фиг.3 зависимость изменения удельной массы контрольного сплава VL3 от температуры и времени,

фиг.4 зависимость изменения удельной массы контрольного сплава VL4 от температуры и времени,

фиг.5 зависимость изменения удельной массы сплава L1 согласно изобретению от температуры и времени.

Пути осуществления изобретения

Ниже изобретение подробнее поясняется с помощью примера его осуществления и фиг.1-5.

Исследовали жаропрочные сплавы на основе никеля, химический состав которых приведен в таблице 1 (данные указаны в вес.%):

Таблица 1
Химический состав исследованных сплавов
VL1 (CMSX-11B)VL2 (CMSX-6)VL3 (CMSX-2)VL4 (René N5)L1
Niостальноеостальноеостальноеостальноеостальное
Cr12,49,77,97,127,7
Со5,75,04,67,45,1
Мо0,53,00,61,42,0
W5,1-8,04,97,8
Та5,182,06,06,55,84
Al3,594,815,586,075,0
Ti4,184,710,990,031,4
Hf0,040,05-0,170,12
С----0,02
В----0,005
Si----0,12
Nb0,1----
Re---2,84-

Сплав L1 представляет собой жаропрочный сплав на основе никеля для монокристаллических деталей, состав которого приведен в формуле настоящего изобретения. В противоположность ему сплавы VL1, VL2, VL3 и VL4 являются контрольными, которые известны из уровня техники под названиями CMSX-11B, CMSX-6, CMSX-2 и René N5. От сплава согласно изобретению последние отличаются прежде всего тем, что они не легированы элементами С, В и Si.

Углерод и бор упрочняют границы зерен, в частности и малоугловые, ориентированные в направлении <001> границы в жаропрочных сплавах на основе никеля SX и DS, из которых выполнены лопатки газовых турбин, так как эти элементы вызывают выделение карбидов и боридов по границам зерен, являющихся стойкими при высоких температурах. Кроме того, присутствие указанных элементов на границах зерен и вдоль их снижает процесс диффузии, являющийся основной причиной ослабления по границам зерен. В результате существенно улучшаются литейные свойства длинных монокристаллических деталей, например лопаток газовых турбин длиной от около 200 до 230 мм.

Внесение добавки Si в количестве от 0,11 до 0,15 вес.%, прежде всего в комбинации с Hf примерно в том же количестве, приводит к существенному повышению устойчивости против окисления при высоких температурах по сравнению с известными ранее жаропрочными сплавами на основе никеля. Это показано на фиг.1-5, на которых соответственно для контрольных сплавов VL1-VL4 (фиг.1-4) и сплава L1 согласно изобретению (фиг.5) приведены диаграммы изотермического окисления. Для названных сплавов показано изменение удельной массы Δm/А (данные в мг/см2) при температурах 800°С, 950°С, 1050°С и 1100°С и продолжительности от 0 до 1000 часов. Если сравнить между собой характеристики кривых, то, в частности, при высоких температурах (1000°С) и продолжительном времени естественного старения отмечается превосходство сплава согласно изобретению.

Если выбираются жаропрочные сплавы на основе никеля с более высоким содержанием С и В (не более 750 ррм С и не более 400 ррм В) согласно п.1 формулы изобретения, то детали из них могут также отливаться традиционным способом.

Cr7,7-8,3Со5,0-5,25Мо2,0-2,1W7,8-8,3Та5,8-6,1Al4,9-5,1Ti1,3-1,4Si0,11-0,15Hf0,11-0,15С200-750ppmВ50-400ppmNiитехнологическиепримесиостальноеc0c1211none364Cr7,7-8,3Со5,0-5,25Мо2,0-2,1W7,8-8,3Та5,8-6,1Al4,9-5,1Ti1,3-1,4Si0,11-0,15Hf0,11-0,15С200-300ppmВ50-100ppmNiитехнологическиепримесиостальноеc0c1211none566Cr7,7Со5,1Мо2,0W7,8Та5,8Al5,0Ti1,4Si0,12Hf0,12С200ppmВ50ppmNiитехнологическиепримесиостальноеc0c1211none7681.Жаропрочныйсплавнаосновеникеля,отличающийсятем,чтоонимеетследующийхимическийсостав,вес.%:12.Жаропрочныйсплавнаосновеникеляпоп.1,отличающийсятем,чтоонпредназначен,вчастности,дляизготовлениямонокристаллическихдеталейиимеетследующийхимическийсостав,вес.%:23.Жаропрочныйсплавнаосновеникеляпоп.2,отличающийсятем,чтоонимеетследующийхимическийсостав,вес.%:3
Источник поступления информации: Роспатент

Showing 1-10 of 218 items.
10.04.2013
№216.012.325c

Способ и устройство для управления электростатическим пылеуловителем

Изобретение относится к способу и устройству управления работой электростатического пылеуловителя, который выполнен с возможностью удаления частиц пыли из технологического газа. Способ управления работой электростатического пылеуловителя, ESP, который выполнен с возможностью удаления частиц...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002478435
Дата охранного документа: 10.04.2013
10.04.2013
№216.012.34ee

Ротор для электродинамической машины

Ротор для электродинамической машины, в частности для гидрогенератора, содержит корпус, который собран из множества расположенных в аксиальном направлении друг за другом сегментов (10) из листового металла, между сегментами (10) для образования охлаждающих каналов установлены установочные...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002479093
Дата охранного документа: 10.04.2013
10.04.2013
№216.012.34ef

Ротор электрической машины

Изобретение относится к области электротехники и касается особенностей конструктивного выполнения роторов электрических машин, в частности гидрогенераторов. Предлагаемый ротор (10) электрической машины содержит ярмо (12) с распределенными по внешней периферии осевыми пазами (13), в которые...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002479094
Дата охранного документа: 10.04.2013
20.05.2013
№216.012.3fb7

Система и способ регенерации раствора абсорбента

Изобретение относится к системе и способу регенерации раствора абсорбента, используемого в абсорбции кислотного компонента из технологического потока. Система включает пар, производимый бойлером; множество турбин, соединенное по текучей среде с бойлером; механизм перекачивания для...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002481881
Дата охранного документа: 20.05.2013
20.05.2013
№216.012.3fb8

Улучшенная промотором система на основе охлажденного аммиака и способ удаления co из потока дымового газа

Изобретение относится к способу поглощения CO из газового потока, указанный способ включает: контактирование потока дымового газа, содержащего CO, с обедненным раствором поглотителя, причем обедненный раствор поглотителя содержит аммиаксодержащий ионный раствор или суспензию, основанные на...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002481882
Дата охранного документа: 20.05.2013
20.05.2013
№216.012.3fc6

Способ оценки пылевой нагрузки электрофильтра и способ и устройство управления встряхиванием электрофильтра

Изобретение относится к способу управления встряхиванием электродов электрофильтра и оценки текущей нагрузки частиц пыли на осадительные электроды. Способ управления встряхиванием, по меньшей мере, одного осадительного пластинчатого электрода (30) электрофильтра (1), в котором подают при помощи...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002481896
Дата охранного документа: 20.05.2013
27.05.2013
№216.012.4518

Универсальный узел рекуператора для отработавших газов газовой турбины

Изобретение относится к теплотехнике. Рекуператор включает в себя канал для нагретого газа; впускной трубопровод; выпускной трубопровод; а также прямоточную поверхность нагрева, расположенную в канале для нагретого газа и образованную множеством первых однорядных трубно-коллекторных узлов и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002483265
Дата охранного документа: 27.05.2013
27.05.2013
№216.012.45ac

Электрическая машина, в частности трехфазный асинхронный гидрогенератор

Изобретение относится к области электротехники и касается выполнения электрических машин, в частности трехфазного асинхронного гидрогенератора, с ротором и статором, а также с обмоткой, включающей множество проходящих в осевом направлении, лежащих друг над другом в соответствующих пазах обмотки...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002483413
Дата охранного документа: 27.05.2013
10.06.2013
№216.012.471c

Система и способ регенерации раствора абсорбента

Система абсорбирования из технологического потока кислотного компонента. Система включает: технологический поток, содержащий кислотный компонент; раствор абсорбента для абсорбирования из технологического потока, по меньшей мере, части кислотного компонента, где раствор абсорбента содержит...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002483784
Дата охранного документа: 10.06.2013
10.06.2013
№216.012.471d

Система и способ удаления кислотного компонента из технологического потока

Система для абсорбции и тем самым удаления, по меньшей мере, части кислотного компонента из технологического потока. Система включает абсорбер, предназначенный принимать технологический поток, в котором абсорбер использует абсорбирующий раствор, для абсорбирования кислотного компонента из...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002483785
Дата охранного документа: 10.06.2013
+ добавить свой РИД