Результат интеллектуальной деятельности: Литейный никелевый сплав

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано в газоперекачивающих, энергетических и морских газотурбинных установках (ГТУ) с длительной наработкой, в частности для литья охлаждаемых рабочих и сопловых лопаток с равноосной структурой, производство которых является существенно менее трудоемким, в связи с чем обходится в 6-8 раз дешевле по сравнению с сплавами, имеющими монокристальную структуру.

Суть проблемы заключается в том, что используемые в настоящее время для ГТУ жаропрочные никелевые сплавы с равноосной структурой, способные работать в условиях активного воздействия сульфидно-оксидной коррозии (например, сплав ЧС-70, ЧС-88, ЧС-104 и др.) обладают недостаточным уровнем жаропрочности, что резко сокращает ресурс их работы и увеличивает количество дорогостоящих ремонтов, особенно в неблагоприятных условиях Севера, Сибири и др. малообжитых районов, увеличивает время простоя на ремонте морской техники и т.д.

В связи с этим особенно острой становится задачи создания жаропрочного сплава с:

- высокой стойкостью к сульфидно-оксидной коррозии, способного эффективно работать в условиях активного воздействия таких продуктов сгорания жидкого и газообразного топлива, как Na₂SO₄ (результатам взаимодействия присутствующих в топливе солей NaCl и сероводорода), солей кальция, магния, кремния, сульфидирования из соединений, содержащих среду азотирования и науглероживания поверхности, отрицательного влияния имеющихся в топливе соединений ванадия, свинца и др. вредных элементов;

- высокой жаропрочностью на уровне , равной (320-340) МПа,

близкой к жаропрочности лучших сплавов с высокой стойкостью к сульфидно-оксидной (морской) коррозии;

- равноосной структурой, снижающей трудоемкость производства и, как следствие, себестоимость в 6-8 раз рабочих и сопловых лопаток по сравнению с монокристальными;

- отличающихся более экономными (по наиболее дорогому и дефицитному элементу рению) легированием.

Таким образом, задача сводится к созданию сплава, обладающего высокой стойкостью к «морской» коррозии, при этом обеспечивающего одновременно повышенную работоспособность и гораздо более дешевое производство узловых деталей ГТУ при заметном снижении стоимости самого материала лопаток турбины.

В качестве наиболее близкого аналога (прототипа) выбран литейный никелевый сплав, содержащий, мас. %: Cr 9-18, Со 7-20, W 1-8, Мо 0,2-4,0, Al 1,5-5,0, Ti 1,5-5,0, Та 2,4-7,5, Nb 0,05-2,0, В 0,005-0,5, La 0,005-0,5, Y 0,01-0,5, Се 0,02-0,5, Re 0,5-6,0, Hf 0,05-1,5, Mn 0,05-1,0, Si 0,05-1,0, Mg 0,01-0,5, С 0,003-0,03, Sc 0,0002-0,01, Pr 0,0002-0,01, Gd 0,0002-0,01, Nd 0,0002-0,01, Ni остальное (см. Патент RU 2623940).

Сплав обладает наиболее высоким среди всех отечественных и зарубежных никелевых жаропрочных материалов с повышенной стойкостью к сульфидно-оксидной коррозии уровнем жаропрочности (его ≈ 350 МПа),

при этом в отличие от ряда эксплуатируемых в настоящее время сплавов он не склонен к образованию в процессе эксплуатации охрупчивающих топологически плотноупакованных (ТПУ) фаз.

Высокая структурная стабильность обеспечивает ему способность сохранить работоспособность в течение весьма длительного ресурса.

Весьма с тем характерным для этого сплава является ряд недостатков:

- во-первых, этот сплав имеет монокристальную структуру, а, как известно, трудоемость производства, большое количество брака, а следовательно, и себестоимость лопаток с монокристальной структурой существенно выше, чем лопаток с равноосной структурой;

- во-вторых, он содержит до 9% рения, что делает его весьма дорогим.

Не случайно поэтому ведущие зарубежные и отечественные фирмы и предприятия в настоящее время активно работают над созданием экономно легированных по рению никелевых жаропрочных сплавов. Производство ГТУ для энергетики является гораздо более массовым по сравнению с изготовлением газотурбинных двигателей для авиации.

Здесь вопросы максимально возможного снижения стоимости установок при обеспечении их высокой работоспособности и надежности становится особенно острыми.

Указанные обстоятельства делают задачу создания высокожаропрочного никелевого сплава с равноосной структурой, обладающего высокой стойкостью к сульфидно-оксидной коррозии и жаропрочностью, но при этом экономно легированного рением, весьма актуальной.

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является разработка нового сплава на никелевой основе с равноосной структурой, обладающего одновременно высокими стойкостью к морской солевой коррозии, уровнем жаропрочности, технологичностью и выходом годных изделий, существенно более низкой трудоемкостью производства и стоимостью.

Указанный технический результат достигается тем, что литейный никелевый сплав, содержащий С, Cr, Со, W, Ti, Al, Re, Та, Hf, В, Се, La, Y, Mg, Mn, Si, согласно настоящему изобретению, для литья охлаждаемых рабочих и сопловых лопаток с равноосной структурой газотурбинных установок, он дополнительно содержит Zr с Са при следующем соотношении компонентов, мас. %: С 0,08-0,18, Cr 10,0-16,0, Со 10,0-16,0, W 2,0-10,0, Ti 2,0-5,5, Al 2,0-5,5, Re 1,2-3,6, Та 4,0-9,0, Hf 0,05-2,0, В 0,005-0,5, Zr 0,005-0,05, Се 0,005-0,5, La 0,005-0,5, Y 0,01-0,5, Mg 0,005-0,3, Mn 0,05-0,5, Si 0,05-0,5, Ca 0,02-0,2, Ni остальное.

Решение указанной задачи осуществлено по следующим направлениям:

- поскольку было необходимо разработать сплав, имеющий равноосную структуру, которая, как известно, характерна наличием границ зерен, расположенных в поперечном направлении действующей силе и являющихся наиболее слабым местом при высокотемпературном нагружении, в сплав введено значительное количество по сравнению с прототипом углерода (0,08-0,18) мас. %. Углерод образует карбиды, которые, располагаясь вдоль границ зерен, упрочняют их.

Так как углерод соединяясь с Ti и Hf, создает упрочняющие границы зерен карбиды типа (Ti, Hf) С и при этом часть Ti и Hf уходит на образование карбидов, то максимальное содержание Ti в сплаве увеличено до 5,5 мас. %, т.к. необходимо, чтобы количество Ti, образующего упрочняющую γ'-фазу, не изменялось: Ti, входящий в состав упрочняющей γ'-фазы, оказывает положительное влияние на жаропрочность. Гафний, входя в состав карбидов, изменяет их морфологию от «китайских иероглифов» (что не очень благоприятно) до мелких округлых включений, которые более эффективно управляют границы зерен и не снижают пластичность материала. Поэтому максимальное содержание в новом сплаве Hf также увеличено до 2,0 мас. %.

- одной из главных задач в процессе разработке сплава являлось снижение его стоимости за счет уменьшения концентрации остродефицитного и крайне дорогого рения. Его максимальное количество в заявленном сплаве снижено до 3,6 мас. % (почти в 2 раза). Однако (поскольку Re эффективно повышает жаропрочность никелевых сплавов) необходимо было уменьшить отрицательное влияние на высокотемпературную длительную прочность, вызванное снижением концентрации Re в сплаве. Это достигнуто исключением из состава Мо, который упрочняет сплав почти в 2 раза менее эффективно, чем W, и одновременным увеличением максимального содержания в сплаве W с 8,0 мас. % до 10,0 мас. %. Кроме того Мо, присутствуя в сплаве, способствует его внутреннему окислению, что нежелательно в первую очередь для сплавов, предназначенных для работы в окислительной среде.

С целью реализации дополнительных возможностей повышения жаропрочности было осуществлено следующее. Известно, что Nb является элементом, который достаточно хорошо повышает жаропрочность при средних температурах, однако при высоких температурах (800-1000°С), при которых в основном работают лопатки ГТУ, его положительное влияние на длительную прочность ослабевает и заметно уступает по величине своего воздействия на жаропрочность W и Та. Поэтому Nb исключен из состава сплава, а среднее содержание Та и W увеличено до (4,0-9,0) мас. % и (2,0-10,0) мас. % соответственно.

Кроме того, для использования еще одной возможности повышения жаропрочности за счет снижения содержания в заявленном сплаве кислорода, в состав материала дополнительно введены Zr в количестве (0,005-0,05) мас. % и Са (0,02-0,2) мас. %. Эти элементы с одной стороны, имея высокое сродство с кислородом, образуют с ним соединения, эффективно снижая таким образом его концентрацию в сплаве, с другой стороны они заметно уменьшают скорость окисления по границам зерен, что крайне важно для сплавов с равноосной структурой. (Известно, что окисление сплавов эффективно развивается именно по границам зерен).

Содержание повышающих стойкость сплава к окислению Si и Mn, а также микролегирующих элементов В, Zr, Mg, Y и ОЗМ (La, Се) оставлено на прежнем уровне.

Таким образом, по сравнению с прототипом в составе предлагаемого сплава исключены Мо и Nb, почти вдвое сокращено количество Re, значительно (более, чем в 9 раз) увеличено среднее содержание углерода, повышена концентрация Ti, Та, Hf и W.

Поскольку в данном сплаве одновременно повышена концентрация γ'-образующих элементов Ti, Та и Hf, важно, чтобы в процессе его работы не произошел распад γ'-фазы с образованием пластинчатых охрупчивающих соединений типа Ni₃Ti и Ni₃Ta. Поэтому нами введено еще одно дополнительное условие:

где C_A1 C_Ti, C_Ta, C_Hf - концентрации соответствующих элементов, ат. %.

Выполненные нами многочисленные экспериментальные исследования коррозионно-стойкого сплава-прототипа показали, что при соотношении C_A1/(C_Ti+С_Та+C_Hf)≤1,1 ат. %/ат. %, из γ'-фазы начинают выделяться фазы Ni₃Ti, Ni₃Ta, Ni₃ Hf и их смеси, что значительно снижает уровень жаропрочности сплава в целом и его сопротивление хрупкому разрушению.

Сущность заявленного изобретения поясняется следующими таблицами: - в Таблице 1 представлены результаты кратковременных и длительных испытаний образцов четырех плавок в сравнении с результатами прототипа, приведенными в патенте РФ №2623940.

Следует отметить, что для проведения испытаний образцов 4-х составов был выплавлен сплав со средним (оптимальным) содержанием всех легирующих компонентов, который затем был долегирован различным количеством Cr, W и Re - содержание этих элементов в первую очередь определяет возможность появления охрупчивающих ТПУ-фаз, а также уровень жаропрочности и стойкости к сульфидной коррозии.

Сравнительная оценка коррозионной стойкости образцов к сульфидно-оксидному воздействию производилась в продуктах сгорания дизельного топлива, содержащего 1% S, с коэффициентом избытка воздуха 30:1 и впрыском 200 частиц /мин морской соли при температуре 950°С в течение 100 час. Значения величин глубины проникновения окисленного слоя 4-х образцов, прототипа приведены в Таблице 2.

На Фиг. 1 представлена кривая зависимости длительной прочности нового сплава от параметра Ларсена-Миллера (пунктирная кривая) в сравнении с аналогичной зависимостью для сплава по патенту РФ №2623940, который имеет монокристальную структуру, где О и - экспериментальные точки и усредняющая кривая нового сплава; х и - экспериментальные данные и обобщающая кривая сплава по патенту РФ №2623940.

Из таблиц 1 и 2, а также фигуры 1 наглядно следует, что опытные образцы по показателям длительной прочности и стойкости к сульфидно-оксидной коррозии не уступают сплаву - прототипу.

Таким образом, нами создан сплав для литья охлаждаемых рабочих и сопловых лопаток с равноосной структурой газотурбинных установок, соответствующий уровню длительной прочности и стойкости к сульфидно-оксидной коррозии известному сплаву, выбранному в качестве прототипа.