Результат интеллектуальной деятельности: СПЛАВ НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ ДЛЯ ЛИТЬЯ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ЛОПАТОК ТУРБИНЫ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству литейных жаропрочных коррозионно-стойких сплавов на никелевой основе, предназначенных для литья монокристаллических лопаток турбин газотурбинных двигателей методом направленной кристаллизации, и может быть использовано в наземных газотурбинных двигателях, авиационных газотурбинных двигателях и газоперекачивающих установках (ГТУ), работающих в условиях длительного температурного воздействия в агрессивных средах, например, при использовании в качестве топлива природного газа, содержащего соединения серы.

Известен жаропрочный коррозионно-стойкий сплав на никелевой основе для литья монокристаллических лопаток турбины газотурбинного двигателя, содержащий компоненты в следующем соотношении (в мас.%):

(см. патент UA №77606, кл. С22С 19/05, опубл. 15.12. 2005).

Несмотря на то, что лопатки, изготовленные из этого сплава, имеют достаточно высокие эксплуатационные характеристики, в процессе длительной эксплуатации жаропрочный сплав в условиях температурно-силового нагружения претерпевает развитие необратимых структурных изменений, ограничивающих ресурс ГТД. К таким необратимым структурным изменениям относятся следующие:

- коагуляция упрочняющей γ'- фазы с формированием пластинчатой «рафт»- структуры;

- развитие карбидных реакций;

- образование микропор на малоугловых границах и межфазных поверхностях карбид-матрица в результате диффузионной ползучести сплава;

- образование сегрегации легкоплавких примесей на межфазных границах, снижающих их адгезивную прочность.

Технический результат заявленного изобретения - повышение работоспособности рабочих лопаток газотурбинного двигателя, работающих в условиях длительного температурного воздействия в агрессивных средах.

Указанный технический результат достигается тем, что сплав на никелевой основе для литья монокристаллических лопаток турбины газотурбинного двигателя, содержит компоненты в следующем соотношении (в мас.%):

Содержание (в мас.%) химических элементов в указанных пределах является существенным, так как обеспечивает эффект комплексного легирования упрочняющей γ'- фазы и никелевой γ-матрицы, определяет структурную стабильность сплава при длительных наработках лопаток в эксплуатации.

Содержание в сплаве кремния, ниобия и циркония является существенными, так как:

- легирование сплава ниобием и цирконием в указанных пределах позволяет снизить скорость диффузионной ползучести упрочняющей γ'-фазы в процессе эксплуатации и за счет этого повысить межремонтный ресурс ГТД.

- легирование сплава кремнием в указанных пределах позволяет повысить термодинамическую активность углерода в никелевой аустенитной матрице и за счет этого снизить скорость карбидных реакций в процессе эксплуатации ГТД, повысить структурную стабильность сплава.

Уменьшение содержания кремния, ниобия и циркония в сплаве ниже заявляемых пределов снижает эффект комплексного легирования упрочняющей γ'-фазы и, как результат, снижает структурную стабильность сплава при длительных наработках лопаток в эксплуатации. Повышение содержания кремния, ниобия и циркония выше заявляемых пределов расширяет температурный интервал кристаллизации сплава и повышает усадочную литейную пористость монокристаллических отливок.

Содержание (в мас.%) углерода, хрома, кобальта, вольфрама, молибдена, титана, алюминия, тантала, бора, иттрия, лантана, никеля в указанных пределах позволяет повысить коррозионную стойкость сплава, что позволяет обеспечить необходимый ресурс газотурбинной установки, работающей на природном газе, содержащем в своем составе соединения серы (например, сероводород H₂S).

Уменьшение содержания указанных элементов в сплаве ниже заявляемых пределов снижает комплекс эксплуатационных характеристик сплава и снижает ресурс рабочих лопаток ТВД. Так, например, уменьшение содержания в сплаве хрома и алюминия приводит к снижению коррозионных свойств жаропрочного сплава. Уменьшение содержания тантала и титана снижает объемную долю и легирование упрочняющей γ'-фазы, обеспечивающей жаропрочность сплава. Уменьшение содержания кобальта, молибдена, вольфрама, ниобия, циркония, лантана и кремния снижает эффект твердорастворного упрочнения никелевой γ-матрицы и снижает прочностные свойства сплава во всем диапазоне рабочих температур лопатки. Уменьшение содержания углерода и бора снижает эффект дисперсного упрочнения жаропрочного сплава карбидами и боридами. Снижение содержания иттрия в сплаве повышает количество растворенного кислорода в сплаве, что приводит к снижению выхода годных монокристаллических отливок при направленной кристаллизации монокристаллических лопаток.

Увеличение содержания указанных элементов в сплаве выше заявляемых пределов приводит к образованию ТПУ- фаз, снижающих эксплуатационные характеристики жаропрочного сплава.

Так, при увеличении содержания углерода и бора происходит образование избыточного количества боридов и карбидов, выводящих из твердого никелевого раствора тугоплавкие металлы: титан, вольфрам, хром, ниобий, снижая этим прочностные свойства сплава. Увеличение содержания вольфрама, хрома, тантала, молибдена приводит к образованию ТПУ- фаз, снижающих ресурс лопаток. Увеличение содержания алюминия приводит к увеличению объемной доли упрочняющей γ'- фазы, что приводит к выделению γ-γ' -эвтектики, снижающей пластичность сплава и температуру солидус сплава. Увеличение содержания циркония, лантана, иттрия и кремния приводит к выделению легкоплавких эвтектик, ограничивающих температурный режим работы лопаток.

Соотношение суммарного содержания алюминия и титана к содержанию тантала в сплаве может находиться в пределах 1,8-2,2.

Снижение суммарного содержания алюминия и титана в сплаве к танталу менее 1,8 приводит к формированию структурной неоднородности упрочняющей γ'- фазы, не устраняемой термической обработкой и приводящей к снижению пластичности сплава.

Превышение суммарного содержания алюминия и титана в сплаве к танталу более 2,2 сопровождается снижением жаропрочных характеристик упрочняющей γ'- фазы и снижением длительной прочности сплава в целом.

Пример реализации заявляемого изобретения.

При проведении апробации опытного сплава монокристаллические образцы и лопатки газоперекачивающих агрегатов ГТК-10И и ГТК-25И были отлиты на установке УВНК-8П при скорости кристаллизации V_кр=10 мм/мин.

Монокристаллические образцы с КГО [001] прошли ТО по режиму, включающему гомогенизирующий отжиг при 1240°С в течение 2 часов, охлаждение и выдержку при 1050°С в течение 4 часов.

Монокристаллические образцы испытывали на кратковременную прочность по ГОСТ 1497-61 при температурах 20, 800, 900, 1000°С и длительную прочность по ГОСТ 10145-81 при температурах 800, 900 и 1000°С.

Технологическое апробирование в промышленных условиях заявляемого сплава показало, что сплав демонстрирует хорошую литейную плотность, не склонен к образованию горячих трещин во время ВТВО.

Стойкость сплавов к высокотемпературной коррозионной стойкости (ВТК) оценивали по средней скорости коррозии V_q, г/м²·с, и глубине суммарного коррозионного проникновения h_k, мм.

Составы сплавов и результаты испытаний представлены в приведенных ниже таблицах.

Сплавы, представленные в таблице 1, содержали компоненты в количестве, соответствующем:

- нижнему заявляемому пределу соответствует сплав №1;

- верхнему заявляемому пределу соответствует сплав №3;

- оптимальному составу заявляемого сплава соответствует сплав №2;

- ниже нижнего заявляемого предела соответствует сплав №4, где содержание хрома составляет 10,9%, тантала 3,4%, кремния, ниобия и циркония по 0,01%;

- выше верхнего заявляемого предела соответствует сплав №5, где содержание хрома составляет 12,1%, тантала 4,6%, кремния 0,40%, ниобия 0,35%, циркония 0,20%.

Остальные компоненты в составе сплавов №4 и №5 взяты в оптимальном соотношении - определяемом, как среднее значение.

Снижение содержания легирующих компонентов ниже заявляемого предела приводит к уменьшению эффекта твердорастворного упрочнения, в результате чего снижается уровень свойств монокристаллического сплава как при нормальной, так и при повышенной температуре испытаний. Увеличение содержания легирующих компонентов выше заявляемого предела, в том числе кремния, ниобия и циркония, приводит к образованию эвтектики Ni₅(ZrNbSi), снижающей температуру солидус сплава, и, как результат, снижению прочностных и пластических свойств при повышенных температурах.

Технологические свойства сплава проверены при производстве рабочих лопатках газоперекачивающих агрегатов ГТК-10И и ГТК-25И. Заявляемый сплав показал высокую технологичность.