Российская федерация федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам icon

Российская федерация федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам



Смотрите также:

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
http://www.fips.ru/but2/rfp_logo.gif
ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА
ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ,
ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ


(19)

RU

(11)

2439184

(13)

C1




(51)  МПК

C22C19/05   (2006.01)

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ








(21), (22) Заявка: 2010140689/02, 05.10.2010

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:
05.10.2010

Приоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 05.10.2010

(45) Опубликовано: 10.01.2012

(56) Список документов, цитированных в отчете о
поиске: US 6936116 B2, 30.08.2005. RU 2293782 C1, 20.02.2007. RU 2153021 C1, 20.07.2000. EP 0208645 A2, 14.01.1987. EP 0577316 A2, 05.01.1994.

Адрес для переписки:
105005, Москва, ул. Радио, 17, ФГУП "ВИАМ"

(72) Автор(ы):
Петрушин Николай Васильевич (RU),
Каблов Евгений Николаевич (RU),
Оспенникова Ольга Геннадиевна (RU),
Ригин Вадим Евгеньевич (RU),
Герасимов Виктор Владимирович (RU),
Висик Елена Михайловна (RU)


(73) Патентообладатель(и):
Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) (RU)

(54) ^ ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ ДЛЯ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ЛИТЬЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным сплавам на основе никеля, предназначенным для производства методом направленной кристаллизации деталей высокотемпературных газовых турбин ГТД и ГТУ, преимущественно монокристаллических лопаток и других элементов горячего тракта турбины. Заявлен жаропрочный сплав на никелевой основе для монокристаллического литья. Сплав содержит, мас.%: хром 5,0-6,0, кобальт 6,0-8,5, молибден 3,5-4,5, алюминий 6,0-6,5, титан 0,8-1,6, вольфрам 1,5-3,1, тантал 3,0-4,0, рений 2,0-3,0, лантан 0,004-0,05, церий 0,004-0,02, бор 0,004-0,01, углерод 0,002-0,05, никель - остальное. Сплав характеризуется низкой плотностью, высокими значениями длительной прочности и фазовой стабильностью. 2 табл.

Изобретение относится к металлургии сплавов, в частности к производству никелевых жаропрочных сплавов и изготовлению из них деталей с монокристаллической структурой, например лопаток газовых турбин.

Известен жаропрочный никелевый сплав следующего химического состава, мас.%:

Хром

6,5-10,5

Кобальт

6,0-10,0

Молибден

2,7-4,0

Алюминий

4,8-5,7

Титан

4,2-4,7

Углерод

0,06-0,20

Бор

0,005-0,015

Цирконий

0,01-0,02

Вольфрам

1,0-1,8

Ниобий

0,5-1,0

Церий

0,002-0,015

Один элемент из группы,

http://www.fips.ru/chr/8202.gif

включающей иттрий скандий

0,0015-0,015

Ванадий

0,1-1,0

Кальций

0,001-0,015

Лантан

0,002-0,02

Никель

остальное

(патент РФ http://www.fips.ru/chr/8470.gif2153020).

Известный сплав и изделия из этого сплава предпочтительного химического состава с направленной структурой обладают при температуре 975°С удельной длительной прочностью (http://www.fips.ru/chr/963.gif 40http://www.fips.ru/chr/8202.gif 975/d), равной 240 МПа·(г-1·см 3). Плотность известного сплава 7,8 г/см3. При рабочей температуре 1000°С и долговечности 100 и 1000 ч известный сплав предпочтительного химического состава и изделия из этого сплава с монокристаллической структурой имеют длительную прочность соответственно http://www.fips.ru/chr/963.gif100http://www.fips.ru/chr/8202.gif 1000=175 МПа, http://www.fips.ru/chr/963.gif1000http://www.fips.ru/chr/8202.gif 1000=115 МПа, что не удовлетворяет современным требованиям, предъявляемым к жаропрочным сплавам с низкой плотностью для литья лопаток газовых турбин нового поколения.

Известен жаропрочный сплав на основе никеля следующего химического состава, мас.%:

Хром

2,0-6,0

Кобальт

0-15,0

Молибден

6,0-12,0

Алюминий

5,5-6,5

Титан

0-2,0

Углерод

0,01-0,04

Бор

0,001-0,005

Вольфрам

0-1,5

Ниобий

0-3,0

Иттрий

0-0,02

Тантал

3,0-7,0

Рений

1,0-4,0

Рутений

0-1,5

Гафний

0-0,2

Никель

остальное

(патент США http://www.fips.ru/chr/8470.gif7261783).

Известный сплав и изделия из этого сплава с монокристаллической структурой обладают достаточно высокими характеристиками длительной прочности, например, при рабочей температуре 1000°С время до разрушения сплава предпочтительного состава при испытании на длительную прочность при напряжении 241 МПа составляет ~100 ч, плотность этого сплава равна 8,64 г/см3.

Дополнительные исследования известного сплава показали, что значение (Md)http://www.fips.ru/chr/947.gif -параметра ((Md)http://www.fips.ru/chr/947.gif =1,9CA1+1,142CCr+1,55C Mo+1,655CW+2,224CTa+0,777CCo +2,271CTi+1,267CRe+3,02CHf+0,777C Ni, где CAl, CCrhttp://www.fips.ru/chr/8230.gif CNi - атомные концентрации компонентов в http://www.fips.ru/chr/947.gif-фазе сплава), рассчитанное по химическому составу http://www.fips.ru/chr/947.gif-твердого раствора этого сплава, составляет 0,931, что больше критического значения этого параметра фазовой стабильности. Следовательно, при длительном высокотемпературном воздействии известный сплав склонен к выделению интерметаллидных ТПУ фаз, их объемная доля в структуре сплава может достигать более 1%.

Отрицательное влияние ТПУ фаз на механические свойства жаропрочного сплава и монокристаллических изделий из него проявляется в том, что эти фазы связывают значительные количества тугоплавких легирующих элементов (молибден, рений, вольфрам, хром, тантал) и их концентрации в матричном http://www.fips.ru/chr/947.gif-твердом растворе и упрочняющей http://www.fips.ru/chr/947.gif'-фазе понижаются. В результате изменяются в худшую сторону основные факторы жаропрочности дисперсионно упрочненных никелевых сплавов, такие как параметр несоответствия периодов кристаллических решеток http://www.fips.ru/chr/947.gif- и http://www.fips.ru/chr/947.gif'-фаз (мисфит), объемная доля http://www.fips.ru/chr/947.gif'-фазы, температура полного растворения http://www.fips.ru/chr/947.gif'-фазы и др. Тем самым долговременные высокотемпературные механические свойства известного жаропрочного сплава и монокристаллических изделий из этого сплава уменьшаются. Кроме того, высокая концентрация молибдена в известном сплаве обуславливает пониженное сопротивление высокотемпературному окислению и коррозии.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является никелевый жаропрочный сплав для монокристаллического литья следующего химического состава, мас.%:

Хром

5,8-6,4

Кобальт

7,2-7,8

Молибден

1,7-2,3

Алюминий

6,2-6,8

Титан

0,9-1,1

Вольфрам

3,0-3,7

Тантал

2,0-2,6

Рений

2,3-2,6

Гафний

0,05-0,15

Никель

остальное

(патент США http://www.fips.ru/chr/8470.gif6936116).

Известный монокристаллический сплав имеет высокую фазовую стабильность, хорошие литейные свойства и значительный температурный интервал термической обработки. Однако дополнительные исследования показали, что сплав-прототип обладает недостаточно высокой долговременной длительной прочностью при рабочих температурах.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание жаропрочного сплава на никелевой основе для монокристаллического литья с низкой плотностью и повышенными характеристиками жаропрочности и фазовой стабильности.

Для достижения поставленной технической задачи предложен жаропрочный сплав на никелевой основе для монокристаллического литья, содержащий хром, кобальт, молибден, алюминий, титан, вольфрам, тантал, рений, в который дополнительно введены лантан, церий, бор и углерод, при следующем соотношении компонентов, масс.%:

Хром

5,0-6,0

Кобальт

6,0-8,5

Молибден

3,5-4,5

Алюминий

6,0-6,5

Титан

0,8-1,6

Вольфрам

1,5-3,1

Тантал

3,0-4,0

Рений

2,0-3,0

Лантан

0,004-0,05

Церий

0,004-0,02

Бор

0,004-0,01

Углерод

0,002-0,05

Никель

остальное.

Повышение жаропрочности предложенного сплава достигается за счет действия редкоземельных элементов лантана и церия на примеси серы, кислорода и азота, неизбежно присутствующие в жаропрочных никелевых сплавах, и сбалансированности соотношения между суммарным содержанием http://www.fips.ru/chr/947.gif-стабилизирующих и http://www.fips.ru/chr/947.gif'-образующих легирующих элементов.

Исследованиями методом микрорентгеноспектрального анализа было обнаружено физическое явление, состоящее в том, что при термической обработке монокристаллов заявляемого сплава с указанным соотношением компонентов атомы редкоземельных элементов La и Се, введенных в сплав и присутствующих в сплаве примесей S, О, N, адсорбируются на неизбежно имеющихся микропорах и образуют в них высокодисперсные тугоплавкие сульфиды, оксиды и нитриды. В результате содержание вредных примесей серы, кислорода и азота в твердом объеме монокристаллов сплава понижается и, как следствие, наблюдается повышение высокотемпературных характеристик длительной прочности. Кроме того, легирование лантаном, церием и повышение содержания тантала усиливает сопротивление монокристаллических никелевых жаропрочных сплавов высокотемпературному окислению и коррозии.

Введение бора и углерода в никелевый жаропрочный сплав при указанном соотношении компонентов используется для стабилизации при кристаллизации дендритно-ячеистой структуры монокристаллического изделия и упрочнения субграниц, неизбежно присутствующих в монокристаллических изделиях из никелевых жаропрочных сплавов. В результате повышается структурное совершенство монокристаллов сплава, способствуя увеличению сопротивления длительной высокотемпературной ползучести.

Молибден, имея низкий коэффициент распределения (0,2-0,4) между http://www.fips.ru/chr/947.gif'- и http://www.fips.ru/chr/947.gif-фазами никелевых жаропрочных сплавов, в основном растворяется в http://www.fips.ru/chr/947.gif-твердом растворе. Поэтому повышение содержания молибдена в предлагаемом сплаве при заявленном соотношении компонентов увеличивает параметр размерного несоответствия периодов кристаллических решеток http://www.fips.ru/chr/947.gif- и http://www.fips.ru/chr/947.gif'-фаз (мисфит). В результате повышается длительная прочность жаропрочного никелевого сплава.

Кроме того, повышение содержания http://www.fips.ru/chr/947.gif-стабилизирующего элемента молибдена и исключение из сплава гафния при заявленном соотношении остальных легирующих элементов способствует понижению объемной доли неравновесной http://www.fips.ru/chr/947.gif-http://www.fips.ru/chr/947.gif ' эвтектической составляющей в литой монокристаллической структуре сплава, тем самым снижает объемную долю микропор при последующим высокотемпературном гомогенизирующем отжиге и, следовательно, повышает сопротивление циклическим нагрузкам.

Понижение содержания вольфрама в предлагаемом сплаве обеспечивает достижение низкой плотности сплава - 8,3-8,4 г/см3 .

Пример осуществления

В вакуумной индукционной печи были выплавлены четыре сплава предлагаемого состава и один сплав предпочтительного состава, взятого за прототип. Содержание компонентов (мас.%) в композициях сплавов приведено в таблице 1. Затем эти сплавы переплавляли в вакуумной печи для направленной кристаллизации и получали цилиндрические слитки диаметром 16 мм и длиной 190 мм с монокристаллической структурой и осевой ориентацией, близкой к кристаллографическому направлению [001]. Далее из этих слитков изготавливали образцы для дифференциального термического анализа, по результатам которого определяли температуры полного растворения упрочняющей http://www.fips.ru/chr/947.gif'-фазы в http://www.fips.ru/chr/947.gif-матрице и начального плавления. С учетом этих температур отливки подвергали термической обработке, включающей гомогенизирующий отжиг и двухступенчатое старение, и изготавливали из них образцы для механических испытаний, рентгеноструктурного анализа и количественной металлографии, по результатам которых определяли длительную прочность, параметр размерного несоответствия периодов кристаллических решеток http://www.fips.ru/chr/947.gif- и http://www.fips.ru/chr/947.gif'-фаз (мисфит) и объемные доли выделений неравновесной эвтектики http://www.fips.ru/chr/947.gif-http://www.fips.ru/chr/947.gif ' и микропор гомогенизации. Испытания на длительную прочность проводили на воздухе при температуре 1000°С и напряжениях 200 и 140 МПа.

Определение параметра размерного несоответствия периодов кристаллических решеток http://www.fips.ru/chr/947.gif- и http://www.fips.ru/chr/947.gif'-фаз (мисфит) и объемные доли выделений неравновесной эвтектики http://www.fips.ru/chr/947.gif-http://www.fips.ru/chr/947.gif ' и микропор гомогенизации проводили при комнатной температуре.

Полученные характеристики композиций сплава-прототипа и заявляемого сплава приведены в таблице 2.

Как видно из таблицы 2, предлагаемый сплав имеет меньшую долю неравновесной эвтектики http://www.fips.ru/chr/947.gif-http://www.fips.ru/chr/947.gif ' и микропор гомогенизации, более высокое значение размерного несоответствия периодов кристаллических решеток http://www.fips.ru/chr/947.gif- и http://www.fips.ru/chr/947.gif'-фаз (мисфит), чем сплав, взятый за прототип. Кроме того, значения параметров (Md)http://www.fips.ru/chr/947.gif , http://www.fips.ru/chr/916.gifЕ, характеризующих фазовую стабильность предлагаемого сплава, меньше критических, что свидетельствует об отсутствии склонности его к образовании вредных ТПУ фаз. Характеристики длительной прочности - долговечность (время до разрушения) предлагаемого сплава при температуре 1000°С в 1,4 раза больше, чем сплава, взятого за прототип. Плотность сплава составляет 8,33-8,40 г/см 3.

Таким образом, предлагаемый жаропрочный сплав на никелевой основе для монокристаллического литья с низкой плотностью значительно превосходит сплав-прототип по характеристикам длительной прочности, что позволяет его рекомендовать для производства монокристаллических турбинных лопаток длительного ресурса.

Таблица 1

http://www.fips.ru/chr/8470.gifп/п

http://www.fips.ru/chr/8202.gif

Cr

Co

Mo

Al

Ti

W

Та

Re

Hf

La

Се

В

С

Ni

1

Сплав-прототип

6,1

7,5

2,0

6,5

1,0

3,35

2,3

2,45

0,1

-

http://www.fips.ru/chr/8202.gif

-

-

ост.

2

Заявляемый сплав

5,0

6,0

3,5

6,5

0,8

1,5

3,0

3,0

-

0,004

0,02

0,01

0,05

ост.

3

5,5

7,25

3,5

6,25

1,2

2,3

4,0

2,0

-

0,05

0,004

0,004

0,002

ост.




4

6,0

8,5

4,0

6,0

0,8

3,1

3,5

2,0

-

0,05

0,004

0,004

0,002

ост.




5

5,5

7,25

4,5

6,0

1,6

2,3

3,0

2,5

-

0,027

0,012

0,007

0,026

ост.







Таблица 2

http://www.fips.ru/chr/8470.gifп/п

http://www.fips.ru/chr/8202.gif

Плотность, г/см3

Vэвт., %

Vп.гом, %

http://www.fips.ru/chr/916.gifhttp://www.fips.ru/chr/945.gif, %

Параметры фазовой стабильности

Время до разрушения при испытании на длительную прочность, ч

(Md)http://www.fips.ru/chr/947.gif http://www.fips.ru/chr/947.gif-матрицы

http://www.fips.ru/chr/916.gifЕ сплава

1000°С, http://www.fips.ru/chr/963.gif=200 МПа

1000°С, http://www.fips.ru/chr/963.gif=140 МПа













1

Сплав-прототип

8,31

3,4

0,15

0,16

0,908

0,120

96

708

2

Заявляемый

8,29

1,9

0,06

0,30

0,915

0,159

137

986

3

сплав

8,35

1,5

0,05

0,23

0,909

0,094

183

1052

4

http://www.fips.ru/chr/8202.gif

8,41

1,2

0,05

0,30

0,914

0,086

170

1069

5

http://www.fips.ru/chr/8202.gif

8,37

1,2

0,04

0,25

0,909

0,081

145

1013

Vэвт. - объемная доля неравновесной эвтектики http://www.fips.ru/chr/947.gif-http://www.fips.ru/chr/947.gif ';

Vп.гом - объемная доля микропор гомогенизации;

http://www.fips.ru/chr/916.gifhttp://www.fips.ru/chr/945.gif=(http://www.fips.ru/chr/945.gif http://www.fips.ru/chr/947.gif-http://www.fips.ru/chr/945.gif http://www.fips.ru/chr/947.gif')/http://www.fips.ru/chr/945.gif http://www.fips.ru/chr/947.gif- размерное несоответствие периодов кристаллических решеток http://www.fips.ru/chr/947.gif- и http://www.fips.ru/chr/947.gif'-фаз (мисфит) при комнатной температуре;

http://www.fips.ru/rupatimage/0/2000000/2400000/2430000/2439000/2439184.gif,

где Zi - атомные концентрации i-x элементов в сплаве, Аi - и Ei - оответственно атомная масса и концентрация валентных электронов i-го элемента (sp-электроны алюминия и ds-электроны переходных металлов).





























Формула изобретения

Жаропрочный сплав на никелевой основе для монокристаллического литья, содержащий хром, кобальт, молибден, алюминий, титан, вольфрам, тантал, рений, отличающийся тем, что он дополнительно содержит лантан, церий, бор, углерод при следующем соотношении компонентов, мас.%:



Хром

5,0-6,0

Кобальт

6,0-8,5

Молибден

3,5-4,5

Алюминий

6,0-6,5

Титан

0,8-1,6

Вольфрам

1,5-3,1

Тантал

3,0-4,0

Рений

2,0-3,0

Лантан

0,004-0,05

Церий

0,004-0,02

Бор

0,004-0,01

Углерод

0,002-0,05

Никель

остальное




Скачать 152,13 Kb.
Дата конвертации22.11.2013
Размер152,13 Kb.
ТипДокументы
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rud.exdat.com


База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2012
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Документы