НИКЕЛЕВЫЙ ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ ДЛЯ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ЛИТЬЯ

Изобретение относится к области металлургии сплавов, а именно к производству сплавов на основе никеля, используемых для литья деталей с монокристаллической структурой, например, лопаток турбин, работающих при температурах 1050°С и выше.

Постоянно растущие требования к авиационной, ракетно-космической и энергетической технике приводят к необходимости непрерывного улучшения эксплуатационных характеристик жаропрочных никелевых сплавов.

Развитие жаропрочных никелевых сплавов с монокристаллической структурой, используемых для изготовления рабочих и сопловых лопаток газовых турбин, является ведущим направлением, обеспечивающим значительное повышение параметров и надежности современных газотурбинных двигателей.

Достигнутое увеличение жаропрочных свойств обеспечивается за счет совершенствования теории легирования, в том числе внедрения в составы сплавов таких сравнительно новых элементов, как Та и Re, а в настоящее время еще и представитель платиновой группы крайне дорогой рутений. Эти элементы, обладая высокой температурой плавления и низкой диффузионной подвижностью, обеспечивают:

- заметное повышение прочности межатомных связей;

- существенное улучшение сопротивления деформации ползучести и возникновению усталостных трещин;

- значительное улучшение структурной стабильности.

Известен литейный жаропрочный сплав на никелевой основе ЖС32-ВИ В.П. Кузнецов, В.П. Лесников, И.П. Конакова Структура и свойства жаропрочного никелевого сплава ЖС32-ВИ. Справочник Екатеринбург. Изд-во «Квист». 2010. - 84 с.), предназначенный для монокристального литья рабочих и сопловых лопаток турбин, имеющий следующий состав

Сплав имеет достаточно высокую жаропрочность, (его ) и плотность ρ=8,76 г/см3. Однако этот уровень является недостаточным для решения поставленных задач. Кроме того он является дорогим, поскольку содержит 4,0% рения. Указанное обстоятельство серьезно снижает объемы практического применения этого сплава.

Известен также литейный жаропрочный сплав на основе никеля для литья лопаток с монокристаллической структурой CMSX-8, разработанный фирмой Cannon-Muskegon (США), состав которого был представлен ею на международной конференции «Superalloys 2012», (Франция) - опубликованном в материалах конференции Jacqueline В. Wahl и Ken Harris «New Single Crystal Superalloys, CMSX-7 and CMSX-8» в сборнике «Superalloys 2012», TMS-2012, pp. 179-188.

Состав сплава CMSX-8, мас, %

Сплав имеет жаропрочность - и удельный вес ρ=8,76 г/см³, соответствующий сплаву ЖС32-ВИ.

Кроме того, его положительной особенностью является наличие в составе небольшого количества дорогостоящего рения. Однако этот уровень жаропрочности является недостаточным для решения поставленных задач.

Наиболее близким к предлагаемому является жаропрочный никелевый сплав для монокристаллического литья, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, тантал, гафний, иттрий, лантан, церий, кремний, марганец, бор, имеющий следующий состав, мас. %.

(описание изобретения к патенту РФ №2626118, С22С 19/05, опубл. 21.07.2017. Бюл. №21).

Сплав не содержит рений и совпадает с предлагаемым сплавом по наибольшему количеству элементов, имеет жаропрочность и удельный вес ρ=8.84 г/см³, что является недостаточным для перспективных газотурбинных двигателей.

Технической задачей изобретения является создание экономнолегированного литейного жаропрочного сплава с монокристаллической структурой на никелевой основе с низким содержанием высокодефицитного и дорогого рения (не более 3,0 мас. %) и с сохранением удельного веса на уровне 8,84-8,86 г/см³, при этом длительная прочность сплава должна быть выше, чем у сплава по патенту РФ № 2626118, имеющего

Техническим результатом изобретения является повышение жаропрочности сплава до уровня при удельном весе 8,84-8,86 г/см³ за счет введения в состав сплава рения при определенном соотношении концентраций вольфрама, тантала и рения.

Технический результат достигается тем, что никелевый жаропрочный сплав для монокристаллического литья, содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, тантал, гафний, иттрий, лантан, церий, кремний, марганец, бор, в отличие от известного, дополнительно содержит рений, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

и при соблюдении условия:

15,4W - 0,9WTa + 28,8Re - 1.7TaRe≥(1,0W² + 3,1ReC + 2,1Re²)≥16,1W - 1,2WTa + 17,5Re - 1,3TaRe

Изобретение поясняется фиг., на которой изображено трехмерное пространство вольфрам, тантал и рений для определения области оптимальных концентраций этих элементов.

Химический состав заявляемого сплава отличается от прототипа наличием рения, а также концентрацией кобальта, вольфрама и молибдена.

Введение в сплав рения позволяет дополнительно увеличить жаропрочность сплава. Принимая во внимание зависимость (1), которая указывает на то, что эффективность рения для повышения жаропрочности в 1,16 раз выше суммарной эффективности вольфрама и молибдена, это позволило частично снизить концентрацию вольфрама и молибдена и сохранить плотность сплава на приемлемом уровне. Также, для сохранения оптимального значения параметра мисфит в сплаве была снижена концентрация кобальта.

На основании обобщения приведенных в отечественной и зарубежной литературе данных по составам, свойствам и особенностям структуры более чем 170 жаропрочных никелевых сплавов с монокристальной структурой нами были построены зависимости «состав-свойства» для этой группы материалов (Логунов. А.В Жаропрочные никелевые сплавы для лопаток и дисков газовых турбин / Рыбинск ООО «Издательский дом «Газотурбинные технологии», 2017. - 854 с.):

где Cr, Со, W … концентрации (содержание) в сплаве хрома, кобальта, вольфрама и других элементов (мас %).

Анализ зависимостей (1) и (2) показал, что наиболее эффективное влияние на длительную прочность (с позиций ее увеличения) и удельный вес (с точки зрения его роста) оказывают вольфрам, тантал и рений. При этом гафний Hf, концентрация которого в современных высокожаропрочных сплавах составляет (0,1-0,5) мас. %, и углерод, содержащийся в монокристальных сплавах на уровне до 0,01 мас. %, вносят незначительный вклад как в жаропрочность, так и в величину их удельного веса.

Влияние алюминия и титана на длительную прочность заметно уступает воздействию вольфрама, тантала и рения, но эти элементы эффективно снижают удельный вес.

Поскольку легирующие элементы в новом сплаве такие же, как и в сплавах CMSX8 и ЖС32, однако при этом необходимо увеличить уровень жаропрочности при одновременном снижении содержания высокодефицитного рения и сохранении удельного веса, то указанная задача решалась путем многокритериальной оптимизации легирующих компонентов.

Формулы (1) и (2), если внести в них суммарную концентрацию элементов сплава по патенту РФ №2626118 (без W, Та, Re) и подставить условия , ρ≤8.84 г/см³, преобразуются в следующие зависимости:

Или:

где W, Та и Re - концентрация вольфрама, тантала и рения в сплаве (мас. %), значение 120 характеризует минимальную величину (МПа), на которую увеличивается длительная прочность сплава () при введении в него данной концентрации W, Та и Re, а значение 0,81 характеризует предельную величину (г/см3), на которую должна увеличиться плотность сплава при введении в него данной концентрации W, Та и Re.

Зависимости (5) и (6) являются условиями, ограничивающими выбор возможных значений концентрации в сплаве элементов - W, Та и Re наиболее эффективно влияющих на прочность и плотность.

Таким образом, на основании зависимостей (5) и (6) получены следующие условия определения оптимальной концентрации вольфрама, тантала и рения, обеспечивающей уровень длительной прочности :

Взяв за основу среднее содержание элементов монокристального сплава (патент РФ №26261180) (без W, Та и Re) в трехмерном пространстве вольфрам, тантал и рений определили область концентраций этих элементов. При этом, поскольку зависимости (1) и (2) являются линейными, то в трехмерном пространстве они должны представлять собой плоскости.

На фиг. в координатах W, Та и Re показаны поверхности, отвечающие равным значениям длительной прочности (точки DWY) и плотности ρ=8=8.84 г/см3 (точки ESX). Эти поверхности пересекаются по линии АВ. Искомый трехмерный объем должен быть равен или выше поверхности, ограниченной точками ADB и в то же время равен или быть ниже поверхности, образованной точками АЕВ. Одновременно укажем, что искомый сплав должен быть экономнолегированным - содержание рения равно 3 мас % и менее. Поэтому область возможных значений требуемого объема по координатам снижается и ограничивается пространством между точками LNRPEL и MRDM.

Таким образом, была определена область легирования Та, W и Re, обеспечивающая получение экономнолегированных никелевых жаропрочных сплавов с монокристальной структурой, имеющих удельный вес, равный или ниже удельного веса сплава ЖС32-ВИ, но при этом отличающихся меньшим содержанием дорогого и остродефицитного рения и гораздо более высокой длительной прочностью при 1000С.

Пример осуществления.

С целью экспериментальной проверки были выплавлены пять опытных составов предлагаемого сплава, содержание компонентов в которых приведено в таблице 1.

В таблице 2 представлены основные характеристики опытных составов в сравнении с аналогами.

Результаты, приведенные в таблицах 1 и 2, показывают, что новый сплав, содержащий значительно меньше дорогостоящего рения по сравнению с серийным отечественным сплавом ЖС32-ВИ (1,5 мас % вместо 4,0 мас %) обладает гораздо более высокой работоспособностью (его против 240 МПа у сплава ЖС32-ВИ).

По сравнению с перспективным сплавом США CMSX-8 новый сплав содержит одинаковые с ним количество рения, имеет такую же стоимость, при этом длительная прочность его (≥270 МПа) существенно превышает аналогичный показатель сравниваемого материала (≈ 259 МПа) при таком же удельном весе.

По сравнению с прототипом новый сплав дополнительно содержит рений, а суммарное содержание в нем тугоплавких элементов (Mo+W+Ta+Re) наиболее высокое и составляет 21,5 мас % против 19,5 мас % для прототипа, 18,1 мас % для сплава CMSX-8 и 17,5 мас % для сплава ЖС32-ВИ. При этом предельное суммарное содержание W, Та и Re контролируется зависимостью (7).