ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И РЕМОНТА ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

Изобретение относится к металлургии, в частности к литейным коррозионностойким жаропрочным сплавам на основе никеля с хромом, кобальтом, вольфрамом и молибденом, и может быть использовано для изготовления литьем деталей горячего тракта газотурбинных установок (ГТУ), работающих в агрессивных средах при температурах 700-920°C, в частности рабочих лопаток газовой турбины с равноосной структурой, а также для ремонта дефектов поверхности изделия, возникающих в результате литья или эксплуатации.

Высокие прочностные характеристики таких сплавов достигаются за счет значительного количества (35-55 ат. %) упрочняющей γ′-фазы (Ni₃Al), легированной ниобием, танталом и другими элементами, а также упрочнением твердого раствора (γ-фазы) кобальтом, хромом, молибденом, вольфрамом. Повышенную коррозионную стойкость обеспечивают содержанием хрома в количестве 13-17 мас. % при отношении содержания титана к содержанию алюминия ≥1,0, а также введением редкоземельных элементов. Сопротивление окислению при повышенных температурах обеспечивают повышенным содержанием алюминия и тантала, ограничением содержания молибдена, а также введением редкоземельных элементов.

Структурная стабильность на ресурс (исключение образования охрупчивающих фаз) и склонность к образованию в литом состоянии неравновесных эвтектических фаз, на месте которых при термообработке образуются поры и трещины, могут быть оценены по известной методике ФАКОМП.

Характеристики длительной прочности, критические точки сплава и другие его физико-механические свойства также могут быть оценены по известным методикам.

(H.Harada и др., Сб. Superalloys, 1988; p.p. 733-742; H. Harada и др., Сб. Superalloys, 2000; p.p. 729-736; H. Harada, Сб. Alloys Design for Nickel-base Superalloys, 1982, p. 721-735).

Известен коррозионностойкий жаропрочный сплав на основе никеля для изготовления и ремонта деталей газовых турбин. Известный сплав включает углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, тантал, цирконий, бор, гафний, кремний, редкоземельные элементы - церий, лантан, иттрий, диспрозий и никель, при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 0,01-0,1; хром 17,0-21.0; кобальт 2,0-12,0; вольфрам 1,0-4,0; молибден до 1,0; алюминий 4-4,7; тантал 3,0-7,0; цирконий 0,01-0,1; бор 0,002-0,02; гафний 0,05-1,0; кремний 0,05-1,0; никель остальное, при содержании молибдена, и/или вольфрама, и/или рения 2,0-5,0; углерода, и/или циркония, и/или бора 0,01-0,3; церия, и/или лантана, и/или иттрия, и/или диспрозия 0,01-0,2 и суммарном содержании редкоземельных элементов 0,01-0,2.

(RU 2441088, С22С 19/05, опубликовано 27.01.2012)

Известный из указанного источника информации предпочтительный вариант реализации (STAL 20) включает, мас. %: кобальта около 5, хрома около 20, вольфрама около 3,0, алюминия около 4,5, тантала около 4,5, углерода около 0,03, циркония около 0,03, бора около 0,005, гафния около 0,1, кремния около 0,1, церия около 0,02, никеля остальное.

Изготовленные из известного сплава литые лопатки газотурбинной установки из указанного сплава, а также наплавленное покрытие из него для ремонта дефектов поверхности с равноосной структурой, содержат около 35 ат. % упрочняющей γ′-фазы, имеют высокую коррозионную стойкость. Однако, несмотря на достаточное высокое содержание тантала (около 4,5 мас. %), имеют невысокие показатели жаропрочности, что ограничивает применение известного сплава до температуры 800°C. Кроме того, в процессе наработки высока вероятность выпадения около 2% охрупчивающей σ-фазы.

Наиболее близким из указанного источника информации является сплав STAL 18. Известный сплав включает, мас. %: кобальта около 5, хрома около 18, молибдена около 0,8, вольфрама около 3,0, алюминия около 4,4, тантала около 4,4, углерода около 0,03, циркония около 0,03, бора около 0,005, гафния около 0,1, кремния около 0,1, церия около 0,02, иттрия около 0,02, никеля остальное.

Однако данный известный сплав с равноосной структурой при достаточно высоких показателях коррозионной стойкости имеет пониженную жаропрочность и не может быть использован при рабочих температурах свыше 820°C.

Кроме того, известные сплавы невозможно использовать для ремонта отечественных лопаток для газотурбинных установок наземного и морского базирования, выполненных, например, из сплава ЧС88УВИ (ТУ 1-809-1070-97), а также из близких к нему сплавов ЧС88ВИ, ЧС70ВИ, ЧС70УВИ, ЗМИ-3УВИ, так как рабочие температуры металла лопаток газотурбинных установок составляют около 860-880°C. Также из-за высокого содержания тантала оба известных сплава имеют повышенную стоимость шихтовых материалов.

Задачей и техническим результатом изобретения является повышение длительной прочности лопаток с равноосной структурой, в том числе лопаток, отремонтированных с использованием сплава по изобретению, повышение сопротивления поверхности лопаток окислению и коррозии, повышение структурной стабильности на ресурс, обеспечение стабильности технологических характеристик сплава и ремонтного покрытия, выполненного из него.

Технический результат достигается тем, что жаропрочный сплав на основе никеля для изготовления и ремонта лопаток газотурбинных установок содержит углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, гафний, церий, иттрий, кремний, бор, цирконий, титан, ниобий, марганец и никель при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 0,04-0,06, хром 13,5-14,1, кобальт 14,9-15,5, вольфрам 1,7-2,1, молибден 1,8-2,2, алюминий 2,6-2,8, гафний 0,1-0,2, церий 0,02±0,005, иттрий 0,02±0,005, кремний 0,1±0,03, бор 0,01±0,002, цирконий 0,05±0,01, титан 5,55-6,05, ниобий 0,1-0,2, марганец 0,07-0,13 и никель остальное, при этом отношение содержания титана к содержанию алюминия >2.

В сплаве по изобретению с равноосной структурой, а также наплавленном ремонтном покрытии, выполненном из него, количество легированной упрочняющей γ′-фазы (Ni₃Al) составляет 46-50 ат. %, что обеспечивает высокий и стабильный уровень служебных характеристик.

Сравнительные данные служебных характеристик известных сплавов и покрытий, а также сплава по изобретению представлены в таблицах 1-4.

Для получение литых рабочих лопаток газовой турбины из сплава по изобретению используют известные способы и устройства для литья турбинных лопаток из жаропрочных сплавов с равноосной структурой.

Из представленных данных следует, что сплав по изобретению с равноосной структурой (таблица 2) имеет более высокие параметры длительной прочности, более высокое сопротивление окислению и коррозии, повышенную структурную стабильность на ресурс.

Ремонт дефекта на поверхности деталей осуществляют последовательным нанесением необходимого количества слоев жаропрочного сплава по изобретению с последующим оплавлением каждого слоя лазером или плазменным методом с последующей шлифовкой места ремонта. Способ нанесения ремонтного покрытия не имеет принципиального значения, для этого могут быть использованы различные известные способы нанесения защитных жаропрочных покрытий с их последующим оплавлением (спеканием): нанесение пасты, наплавка, газотермическое, вакуумное ионно-плазменное, магнетронное напыление и т.д.

В зоне первичного оплавления (контактная зона) нанесенного ремонтного покрытия на подложку из сплава ЧС88УВИ не прогнозируется выпадение охрупчивающей σ-фазы. При этом основные физико-механические свойства металла в контактной зоне идентичны свойствам как основного металла, так и наплавленного сплава по изобретению, что должно гарантировать высокую работоспособность изделия из сплава ЧС88УВИ нанесенным и оплавленным покрытием (табл. 4).

Также из данных таблицы 4 следует, что предлагаемый сплав в покрытии для ремонта имеет служебные характеристики, практически равные служебным характеристикам металла подложки, но имеют более высокую структурную стабильность за счет отсутствия выпадения охрупчивающей σ-фазы (в сплаве ЧС88УВИ ее содержание доходит до 3-5%), а при равенстве коррозионной стойкости, оцененной по потере металла, сплав по изобретению превосходит металл подложки по сопротивлению скорости коррозии.

Как известно, появление в металле лопаток в процессе наработки около 3-5% охрупчивающей σ-фазы снижает ресурс эксплуатации лопаток на 20-30%. Поэтому использование сплава по изобретению позволит продлить ресурс лопаток и обеспечит снижение затрат на приобретение новых лопаток при ремонте газотурбинных установок.

Предлагаемый жаропрочный сплав на основе никеля, реализованный при узких интервалах легирования, должен обеспечить стабилизацию служебных характеристик и повысить минимально гарантированные значения прочности по сравнению с известными сплавами, имеющими достаточно широкий диапазон концентраций легирующих компонентов. Узкие интервалы легирования также обеспечивают стабильность технологических характеристик сплава и ремонтного покрытия, выполненного из него.

При этом сплав по изобретению практически вдвое дешевле известных сплавов по стоимости шихтовых материалов.

Сплав по изобретению наиболее целесообразно использовать в качестве наплавленного покрытия для ремонта дефектов лопаток из жаропрочных сплавов типа ЧС88УВИ, ЧС88ВИ, ЧС70ВИ, ЧС70УВИ, ЗМИ-3УВИ и др.