RU2325453C2 - Nickel-based heat resistant alloy - Google Patents
Nickel-based heat resistant alloy Download PDFInfo
- Publication number
- RU2325453C2 RU2325453C2 RU2003130733/02A RU2003130733A RU2325453C2 RU 2325453 C2 RU2325453 C2 RU 2325453C2 RU 2003130733/02 A RU2003130733/02 A RU 2003130733/02A RU 2003130733 A RU2003130733 A RU 2003130733A RU 2325453 C2 RU2325453 C2 RU 2325453C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- alloy
- nickel
- ppm
- heat
- parts
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к области материаловедения. Оно касается жаропрочного сплава на основе никеля, предназначенного, в частности, для изготовления из него монокристаллических деталей (сплав SX) или деталей с направленно кристаллизованной структурой (сплав DS), как, например, лопатки для газовых турбин. Однако сплав согласно изобретению применим и для получения традиционно отливаемых деталей.The invention relates to the field of materials science. It relates to a heat-resistant nickel-based alloy, intended in particular for the manufacture of single-crystal parts (SX alloy) or parts with a directionally crystallized structure (DS alloy), such as gas turbine blades. However, the alloy according to the invention is applicable to traditionally cast parts.
Уровень техникиState of the art
Упомянутые жаропрочные сплавы на основе никеля известны. Монокристаллические детали из таких сплавов обладают при высоких температурах очень хорошей прочностью. В результате становится возможным, например, увеличить температуру в регулирующей ступени газовых турбин, что повышает эффективность последних.Mentioned heat-resistant nickel-based alloys are known. Single-crystal parts from such alloys have very good strength at high temperatures. As a result, it becomes possible, for example, to increase the temperature in the control stage of gas turbines, which increases the efficiency of the latter.
Жаропрочные сплавы на основе никеля, предназначенные для монокристаллических деталей, такие, как известные из US 4643782, ЕР 0208645 и US 5270123, содержат в себе дополнительно упрочняющие твердый раствор легирующие элементы, например, Re, W, Мо, Со, Cr, а также образующие γ'-фазы элементы, например Al, Та и Ti Содержание тугоплавких легирующих элементов (W, Мо, Re) в основной матрице (аустенитной γ-фазе) непрерывно возрастает с ростом температуры нагружения сплава. Так, например, обычные жаропрочные сплавы на основе никеля содержат в себе для получения монокристаллов 6-8% W, до 6% Re и до 2% Мо (данные в вес.%). Раскрытые в приведенных выше публикациях сплавы характеризуются высоким пределом ползучести, хорошей низко- и высокоциклевой усталостью, а также высокой устойчивостью против окисления.Nickel-based heat-resistant alloys intended for single-crystal parts, such as those known from US 4643782, EP 0208645 and US 5270123, contain alloying elements additionally strengthening the solid solution, for example, Re, W, Mo, Co, Cr, as well as forming γ'-phase elements, for example Al, Ta and Ti The content of refractory alloying elements (W, Mo, Re) in the main matrix (austenitic γ-phase) continuously increases with increasing temperature of loading of the alloy. So, for example, ordinary heat-resistant nickel-based alloys contain 6-8% W, up to 6% Re and up to 2% Mo for obtaining single crystals (data in wt.%). The alloys disclosed in the above publications are characterized by a high creep strength, good low and high cyclic fatigue, and also high resistance to oxidation.
Указанные известные сплавы разработаны для авиационных турбин и поэтому оптимизированы в расчете на кратко- и среднесрочное применение, т.е. продолжительность нагружения рассчитана на около 20000 часов. В противоположность этому детали для промышленных газовых турбин должны рассчитываться на продолжительность нагружения до 75000 часов.These known alloys are designed for aircraft turbines and therefore are optimized for short and medium term applications, i.e. loading time is designed for about 20,000 hours. In contrast, parts for industrial gas turbines must be designed for loading times of up to 75,000 hours.
После нагружения в течение 300 часов, например, известный из US 4643782 сплав CMSX-4 при экспериментальном применении в газовой турбине при температуре свыше 1000°С характеризовался очень сильным укрупнением фазы γ', которое сопровождалось недостатком в виде повышения скорости ползучести сплава.After loading for 300 hours, for example, the CMSX-4 alloy known from US 4,643,782, which was experimentally used in a gas turbine at temperatures above 1000 ° C, was characterized by a very strong coarsening of the γ 'phase, which was accompanied by a drawback in the form of an increase in the creep rate of the alloy.
Таким образом существует необходимость в повышении устойчивости известных сплавов против окисления при очень высоких температурах.Thus, there is a need to increase the stability of known alloys against oxidation at very high temperatures.
Еще одной проблемой, связанной с известными, например, из US 5435861, жаропрочными сплавами на основе никеля, является то, что литейные свойства при изготовлении крупных деталей, например лопаток газовых турбин длиной более 80 мм, оставляют желать лучшего. Отливка безупречной, относительно крупной монокристаллической, направленно затвердевшей детали из жаропрочного сплава на основе никеля представляется чрезвычайно трудной, так как большая часть таких деталей содержит дефекты, например малоугловые границы зерен, "матовые пятна" (дефектные участки, обусловленные цепью равнонаправленных зерен с высоким содержанием эвтектики), равноосные рассеянные границы, микропористость и пр. Такие дефекты снижают прочность деталей при высоких температурах, вследствие чего не достигается требуемая долговечность или рабочая температура турбины. Однако из-за того, что безупречно отлитая монокристаллическая деталь является чрезвычайно дорогостоящей, в промышленности отмечена тенденция, при которой дефекты допускаются в количестве, не снижающем долговечность или рабочую температуру.Another problem associated with known, for example, from US 5435861, heat-resistant nickel-based alloys, is that the casting properties in the manufacture of large parts, such as gas turbine blades longer than 80 mm, leave much to be desired. Casting a flawless, relatively large single-crystal, directionally solidified part from a heat-resistant nickel-based alloy seems extremely difficult, since most of these parts contain defects, such as small-angle grain boundaries, “dull spots” (defective areas caused by a chain of uniformly oriented grains with a high eutectic content ), equiaxed scattered boundaries, microporosity, etc. Such defects reduce the strength of parts at high temperatures, as a result of which the required the durability or operating temperature of the turbine. However, due to the fact that a perfectly cast single-crystal part is extremely expensive, a trend has been noted in the industry in which defects are allowed in an amount that does not reduce durability or operating temperature.
Наиболее частым дефектом служат границы зерен, которые являются особо вредными для высокотемпературных свойств монокристаллических изделий. Если малоугловые границы зерен в небольших деталях оказывают сравнительно небольшое воздействие на свойства, то для литейных свойств и окисляемости крупных деталей из сплавов SX или DS при высоких температурах они имеют большое значение.The most common defect is grain boundaries, which are especially harmful to the high-temperature properties of single-crystal products. If the small-angle grain boundaries in small parts have a relatively small effect on the properties, then they are of great importance for the casting properties and oxidizability of large parts made of SX or DS alloys at high temperatures.
Границы зерен представляют собой области крупного местного дефекта кристаллического строения решетки, так как в этих областях граничат между собой соседние зерна и вызывают этим определенную дезориентацию между кристаллическими решетками. Чем больше такая дезориентация, тем крупнее дефект кристаллического строения, т.е. тем больше количество дислокации по границам зерен, которые необходимы для соответствия обоих зерен между собой. Такой дефект кристаллического строения находится в прямой связи со свойствами материала при высоких температурах. Он ослабляет материал в том случае, когда температура возрастает свыше эквикогезионной температуры (=0,5 х точку плавления по Кельвину).Grain boundaries are regions of a large local defect in the crystal structure of the lattice, since neighboring grains border on these regions and cause a certain disorientation between the crystal lattices. The greater this disorientation, the larger the defect in the crystal structure, i.e. the greater the number of dislocations along the grain boundaries, which are necessary for the correspondence of both grains with each other. Such a crystal structure defect is directly related to the material properties at high temperatures. It weakens the material when the temperature rises above the equicohesion temperature (= 0.5 x Kelvin melting point).
Указанный эффект известен из GB 2234521 А. Так, например, в обычном монокристаллическом сплаве на основе никеля временное сопротивление при температуре испытания 871°С экстремально уменьшалось в том случае, когда дезориентация зерен превысила 6°. Это было отмечено и для монокристаллических деталей с направленно затвердевшей структурой, в результате чего в целом было сформулировано мнение, что не следует допускать дезориентации свыше 6°.The indicated effect is known from GB 2234521 A. Thus, for example, in a conventional single-crystal nickel-based alloy, the temporary resistance at a test temperature of 871 ° C was extremely reduced when the grain disorientation exceeded 6 °. This was also noted for single-crystal parts with a directionally solidified structure, as a result of which, on the whole, the opinion was formulated that disorientation above 6 ° should not be allowed.
Из упомянутого документа GB 2234521 А также известно, что благодаря обогащению жаропрочных сплавов на основе никеля бором или углеродом при направленном затвердевании образуются структуры, характеризующиеся равноосной или призматической структурой зерен. Углерод и бор упрочняют границы зерен, так как С и В вызывают выделение карбидов и боридов по границам зерен, которые являются стойкими при высоких температурах. Кроме того, присутствие таких элементов снижает диффузионный процесс на границах зерен и вдоль их, который является основной причиной ослабления по границам зерен. Поэтому можно увеличивать дезориентацию до 10-12° и тем не менее достигать высоких свойств материала при высоких температурах. Такие малоугловые границы зерен негативно воздействуют особенно на свойства крупных монокристаллических деталей из жаропрочных сплавов на основе никеля.From the aforementioned document GB 2234521 A, it is also known that due to the enrichment of heat-resistant nickel-based alloys with boron or carbon during directional solidification, structures characterized by equiaxial or prismatic grain structures are formed. Carbon and boron strengthen grain boundaries, since C and B cause the precipitation of carbides and borides along grain boundaries, which are stable at high temperatures. In addition, the presence of such elements reduces the diffusion process at the grain boundaries and along them, which is the main cause of weakening along the grain boundaries. Therefore, you can increase the disorientation to 10-12 ° and nevertheless achieve high properties of the material at high temperatures. Such small-angle grain boundaries negatively affect the properties of large single-crystal parts made of heat-resistant nickel-based alloys.
Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the invention
Целью изобретения является устранение перечисленных недостатков. В изобретении поставлена задача создания жаропрочного сплава на основе никеля, обладающего улучшенными литейными свойствами и более высокой устойчивостью против окисления по сравнению с известными жаропрочными сплавами на основе никеля. Кроме того, этот сплав должен быть пригоден, в частности, для изготовления, например, крупных монокристаллических деталей для газовых турбин длиной более 80 мм.The aim of the invention is to remedy these shortcomings. The invention has the task of creating a heat-resistant nickel-based alloy having improved casting properties and higher resistance against oxidation compared to the known heat-resistant nickel-based alloys. In addition, this alloy should be suitable, in particular, for the manufacture of, for example, large single-crystal parts for gas turbines with a length of more than 80 mm.
Согласно изобретению указанная задача решается за счет того, что жаропрочный сплав на основе никеля согласно изобретению имеет следующий химический состав (данные указаны в вес.%):According to the invention, this problem is solved due to the fact that the heat-resistant nickel-based alloy according to the invention has the following chemical composition (data indicated in wt.%):
7,7-8,3 Cr7.7-8.3 Cr
5,0-,25 Со5.0-, 25 Co
2,0-2,1 Мо2.0-2.1 Mo
7,8-8,3 W7.8-8.3 W
5,8-6,1 Та5.8-6.1 Ta
4,9-5,1 Al4.9-5.1 Al
1,3-1,4 Ti1.3-1.4 Ti
0,11-0,15 Si0.11-0.15 Si
0,11-0,15 Hf0.11-0.15 Hf
200-750 ppm C200-750 ppm C
50-400 ppm B50-400 ppm B
остальное - никель и технологические примеси.the rest is nickel and technological impurities.
Преимущества изобретения состоят в том, что сплав обладает очень высокими литейными свойствами и по сравнению с настоящим уровнем техники характеризуется улучшенной устойчивостью против окисления при высоких температурах. Особое преимущество достигается при следующем составе сплава:The advantages of the invention are that the alloy has very high casting properties and, compared with the present prior art, is characterized by improved resistance to oxidation at high temperatures. A particular advantage is achieved with the following alloy composition:
7,7-8,3 Cr7.7-8.3 Cr
5,0-5,25 Со5.0-5.25 Co
2,0-2,1 Мо2.0-2.1 Mo
7,8-8,3 W7.8-8.3 W
5,8-6,1 Та5.8-6.1 Ta
4,9-5,1 Al4.9-5.1 Al
1,3-1,4 Ti1.3-1.4 Ti
0,11-0,15 Si0.11-0.15 Si
0,11-0,15 Hf0.11-0.15 Hf
200-300 ppm C200-300 ppm C
50-100 ppm B50-100 ppm B
остальное - никель и технологические примеси.the rest is nickel and technological impurities.
Данный сплав исключительно пригоден для изготовления крупных монокристаллических деталей например лопаток газовых турбин.This alloy is extremely suitable for the manufacture of large single-crystal parts such as gas turbine blades.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
На чертежах представлен пример осуществления изобретения в виде квазиизотермических диаграмм окисления. При этом изображено на:The drawings show an example embodiment of the invention in the form of quasi-isothermal oxidation diagrams. It is depicted on:
фиг.1 зависимость изменения удельной массы контрольного сплава VL1 от температуры и времени,figure 1 the dependence of the change in the specific gravity of the control alloy VL1 on temperature and time,
фиг.2 зависимость изменения удельной массы контрольного сплава VL2 от температуры и времени,figure 2 the dependence of the change in the specific gravity of the control alloy VL2 on temperature and time,
фиг.3 зависимость изменения удельной массы контрольного сплава VL3 от температуры и времени,figure 3 the dependence of the change in the specific gravity of the control alloy VL3 on temperature and time,
фиг.4 зависимость изменения удельной массы контрольного сплава VL4 от температуры и времени,figure 4 the dependence of the change in the specific gravity of the control alloy VL4 on temperature and time,
фиг.5 зависимость изменения удельной массы сплава L1 согласно изобретению от температуры и времени.figure 5 the dependence of the change in the specific gravity of the alloy L1 according to the invention from temperature and time.
Пути осуществления изобретенияThe ways of carrying out the invention
Ниже изобретение подробнее поясняется с помощью примера его осуществления и фиг.1-5.Below the invention is explained in more detail using an example of its implementation and figure 1-5.
Исследовали жаропрочные сплавы на основе никеля, химический состав которых приведен в таблице 1 (данные указаны в вес.%):We studied heat-resistant nickel-based alloys, the chemical composition of which is shown in table 1 (data are indicated in wt.%):
Химический состав исследованных сплавовTable 1
The chemical composition of the investigated alloys
Сплав L1 представляет собой жаропрочный сплав на основе никеля для монокристаллических деталей, состав которого приведен в формуле настоящего изобретения. В противоположность ему сплавы VL1, VL2, VL3 и VL4 являются контрольными, которые известны из уровня техники под названиями CMSX-11B, CMSX-6, CMSX-2 и René N5. От сплава согласно изобретению последние отличаются прежде всего тем, что они не легированы элементами С, В и Si.Alloy L1 is a heat-resistant nickel-based alloy for single-crystal parts, the composition of which is given in the claims of the present invention. In contrast, the VL1, VL2, VL3, and VL4 alloys are control alloys known in the art under the names CMSX-11B, CMSX-6, CMSX-2, and René N5. The latter differ from the alloy according to the invention in that they are not alloyed with elements C, B and Si.
Углерод и бор упрочняют границы зерен, в частности и малоугловые, ориентированные в направлении <001> границы в жаропрочных сплавах на основе никеля SX и DS, из которых выполнены лопатки газовых турбин, так как эти элементы вызывают выделение карбидов и боридов по границам зерен, являющихся стойкими при высоких температурах. Кроме того, присутствие указанных элементов на границах зерен и вдоль их снижает процесс диффузии, являющийся основной причиной ослабления по границам зерен. В результате существенно улучшаются литейные свойства длинных монокристаллических деталей, например лопаток газовых турбин длиной от около 200 до 230 мм.Carbon and boron strengthen grain boundaries, in particular, small-angle boundaries oriented in the <001> direction in heat-resistant nickel-based alloys SX and DS, of which gas turbine blades are made, since these elements cause the precipitation of carbides and borides along grain boundaries, which are resistant at high temperatures. In addition, the presence of these elements at the grain boundaries and along them reduces the diffusion process, which is the main cause of weakening along the grain boundaries. As a result, the casting properties of long single-crystal parts, such as gas turbine blades with a length of about 200 to 230 mm, are significantly improved.
Внесение добавки Si в количестве от 0,11 до 0,15 вес.%, прежде всего в комбинации с Hf примерно в том же количестве, приводит к существенному повышению устойчивости против окисления при высоких температурах по сравнению с известными ранее жаропрочными сплавами на основе никеля. Это показано на фиг.1-5, на которых соответственно для контрольных сплавов VL1-VL4 (фиг.1-4) и сплава L1 согласно изобретению (фиг.5) приведены диаграммы изотермического окисления. Для названных сплавов показано изменение удельной массы Δm/А (данные в мг/см2) при температурах 800°С, 950°С, 1050°С и 1100°С и продолжительности от 0 до 1000 часов. Если сравнить между собой характеристики кривых, то, в частности, при высоких температурах (1000°С) и продолжительном времени естественного старения отмечается превосходство сплава согласно изобретению.The addition of Si in an amount of from 0.11 to 0.15 wt.%, Especially in combination with Hf in approximately the same amount, leads to a significant increase in resistance against oxidation at high temperatures compared to previously known heat-resistant nickel-based alloys. This is shown in figures 1-5, in which, respectively, for control alloys VL1-VL4 (figures 1-4) and alloy L1 according to the invention (figure 5) isothermal oxidation diagrams are shown. For these alloys, a change in specific gravity Δm / A (data in mg / cm 2 ) at temperatures of 800 ° C, 950 ° C, 1050 ° C and 1100 ° C and a duration of 0 to 1000 hours is shown. If we compare the characteristics of the curves, then, in particular, at high temperatures (1000 ° C) and a long time of natural aging, the superiority of the alloy according to the invention is noted.
Если выбираются жаропрочные сплавы на основе никеля с более высоким содержанием С и В (не более 750 ррм С и не более 400 ррм В) согласно п.1 формулы изобретения, то детали из них могут также отливаться традиционным способом.If heat-resistant nickel-based alloys with a higher content of C and B (not more than 750 ppm C and not more than 400 ppm B) are selected according to
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003130733/02A RU2325453C2 (en) | 2003-10-17 | 2003-10-17 | Nickel-based heat resistant alloy |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003130733/02A RU2325453C2 (en) | 2003-10-17 | 2003-10-17 | Nickel-based heat resistant alloy |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2003130733A RU2003130733A (en) | 2005-04-10 |
RU2325453C2 true RU2325453C2 (en) | 2008-05-27 |
Family
ID=35611452
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2003130733/02A RU2325453C2 (en) | 2003-10-17 | 2003-10-17 | Nickel-based heat resistant alloy |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2325453C2 (en) |
-
2003
- 2003-10-17 RU RU2003130733/02A patent/RU2325453C2/en not_active IP Right Cessation
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2003130733A (en) | 2005-04-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9945019B2 (en) | Nickel-based heat-resistant superalloy | |
US6908518B2 (en) | Nickel base superalloys and turbine components fabricated therefrom | |
RU2415959C1 (en) | MONO-CRYSTAL SUPER-ALLOY ON BASE OF Ni AND TURBINE BLADE CONTAINING IT | |
US10519787B2 (en) | Low rhenium single crystal superalloy for turbine blades and vane applications | |
JP4036091B2 (en) | Nickel-base heat-resistant alloy and gas turbine blade | |
US7473326B2 (en) | Ni-base directionally solidified superalloy and Ni-base single crystal superalloy | |
JP3892831B2 (en) | Superalloys for single crystal turbine vanes. | |
US20130129522A1 (en) | Rhenium-free single crystal superalloy for turbine blades and vane applications | |
RU2295585C2 (en) | High-strength nickel-based superalloy resistant to high-temperature corrosion and oxidation, and directionally solidified product of this superalloy | |
JP4326830B2 (en) | Nickel-base superalloy | |
JP2007162041A (en) | High strength and high ductility Ni-base superalloy, member using the same, and manufacturing method | |
US7938919B2 (en) | Method for the heat treatment of nickel-based superalloys | |
JP3559670B2 (en) | High-strength Ni-base superalloy for directional solidification | |
US20080240972A1 (en) | Low-density directionally solidified single-crystal superalloys | |
Hobbs et al. | Solidification characteristics of advanced nickel-base single crystal superalloys | |
JP5186215B2 (en) | Nickel-based superalloy | |
US8696980B2 (en) | Nickel-base superalloy with improved degradation behavior | |
RU2325453C2 (en) | Nickel-based heat resistant alloy | |
GB2401113A (en) | Nickel-based superalloy | |
US20040069380A1 (en) | Nickel-based superalloy having high resistance to hot-corrosion for monocrystalline blades of industrial turbines | |
AU2003255216B2 (en) | Nickel-base superalloy | |
JP5396445B2 (en) | gas turbine | |
JP2013185210A (en) | Nickel-based alloy and gas turbine blade using the same |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PD4A | Correction of name of patent owner | ||
PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20170426 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20181018 |