СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО Российский патент 2002 года по МПК C22C19/05 

Изобретение относится к металлургии сплавов, в частности к производству жаропрочных сплавов на основе никеля и изготовлению методом направленной кристаллизации теплонагруженных изделий из них.

Известен направленно закристаллизованный эвтектический γ-γ′ жаропрочный сплав на основе никеля состава, мас.%:
Кобальт - 0-10
Алюминий - 6,0-9,0
Вольфрам - 2,0-6,0
Тантал - 5,0-17,0
Ванадий - 0-6,0
Рений - 0-6,0
Никель - Остальное [1]
Известный сплав и изделие, выполненное из этого сплава, имеют недостаточно высокую кратковременную прочность при растяжении: при температуре 750^oС временное сопротивление равно 716,4 МПа при относительном удлинении 32%; при температуре 1100^oС - соответственно 337,1 МПа и 33%.

Недостатком этого сплава и изделия из него также является низкое сопротивление газовой коррозии из-за присутствия в составе ванадия, не позволяющее использовать его для длительной работы при температуре 1200^oС.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является сплав на основе никеля, содержащий хром, титан, алюминий, вольфрам, молибден, углерод, гафний, железо, кремний при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Хром - 5,0-6,0
Титан - 1,0-2,0
Алюминий - 8,0-9,0
Вольфрам - 2,0-4,0
Молибден - 2,5-4,5
Углерод - 0,007-0,04
Гафний - 0,4-0,6
Железо - 0,5-1,5
Кремний - 0,4-1,2
Никель - Остальное [2]
Основу структуры этого сплава и изделия, выполненного из этого сплава, после направленной кристаллизации, составляет твердый раствор на основе интерметаллида Ni₃Al (85-90%), в структуре сплава присутствуют никелевый γ-твердый раствор (8,5-15%) и включения карбидов типа МеС (1,2-1,5%) [3, 4]. Сплав и изделие, выполненное из него, отличаются пониженной плотностью d, которая составляет 7,938 г/см³.

Недостатком известного сплава и изделия, выполненного из него, является невысокая жаропрочность при рабочей температуре 1200^oС: предел длительной прочности за 100 ч при температуре 1200^oС составляет всего 4,0-4,5 кгс/мм². Следовательно, удельная жаропрочность известного сплава и изделия, выполненного из него, при температуре 1200^oС равна ≈0,6 км. Дополнительные исследования показали [5], что сплав и изделие, выполненное из него, имеет невысокую длительную прочность и при более низких рабочих температурах: предел длительной прочности при 900 и 1000^oС при испытании на базе 100 ч соответственно равен 25,0, 14,0 кгс/мм². Другим недостатком этого сплава и изделия, выполненного из него, как следует из дополнительных исследований, является низкое сопротивление изменению линейных размеров при одновременном воздействии высокой температуры и нагрузки, характеризуемое величиной относительного удлинения δ при кратковременном растяжении: при температуре 1200^oС δ≥35% при временном сопротивлении σ_B=15,0-21,5 кгс/мм². Кроме того, сплав и изделие, выполненное из него, обладает невысоким временным сопротивлением при комнатной (20^oС) температуре: σ20B

=85-90 кгс/мм².

Технической задачей предлагаемого изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик сплава на основе никеля в интервале температур 20-1200^oС. Для этого в сплав на основе никеля, содержащий хром, алюминий, вольфрам, молибден, углерод, дополнительно введены ниобий, лантан и кобальт при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Хром - 3,5-4,5
Алюминий - 7,5-9,0
Вольфрам - 2,0-4,0
Молибден - 4,5-5,5
Углерод - 0,21-0,63
Ниобий - 3,3-5,1
Лантан - 0,001-0,01
Кобальт - 0,1-5,0
Никель - Остальное
Изделие, например рабочие лопатки газовой турбины, выполненное из предлагаемого сплава.

Введение в состав известного сплава на основе никеля и изделия, выполненного из него, ниобия при одновременной корректировке их химического состава приводит к существенному сужению температурного интервала плавления (кристаллизации) сплава и изделия, выполненного из него, ΔT (здесь ΔT =T_L-T_S, где T_L и T_S - температуры ликвидуса и солидуса соответственно). Этим самым обеспечиваются необходимые технологические параметры устойчивости плоского фронта роста кристаллов сплава и изделия, выполненного из него: (здесь это соотношение означает, что отношение осевого градиента температуры в расплаве перед фронтом кристаллизации G к скорости кристаллизации R, задаваемое конструкцией и техническими параметрами печи установки для направленной кристаллизации (G/R), должно превышать некоторое критическое значение которое определяется температурным интервалом плавления ΔT и эффективным коэффициентом диффузии атомов в расплаве D). В результате при направленной кристаллизации сплава и изделия, выполненного из него, карбидная фаза на основе монокарбида NbC формируется в виде непрерывных нитевидных кристаллов, а матрица - в виде столбчатых кристаллов. В результате существенно увеличивается долговечность (время до разрушения) сплава и изделия, выполненного из него, а также повышаются характеристики кратковременной прочности и сопротивления изменению линейных размеров при одновременном воздействии высокой температуры и нагрузки. Кроме того, введение в сплав и изделие, выполненное из него, лантана и кобальта также приводит к улучшению их эксплуатационных характеристик в связи с улучшением термической стабильности карбидных нитевидных кристаллов NbC. Удаление гафния и кремния из состава известного сплава и изделия, выполненного из него, приводит при направленной кристаллизации к устранению образования нежелательных сегрегационных выделений фаз с низкой температурой плавления на основе соединений Ni₅Hf и Ni₃Si, что существенно улучшает их технологичность при производстве и термической обработке.

Пример осуществления. Для проверки были выплавлены в вакуумной индукционной печи ВИАМ-1635 (Т_плавки ≈1550^oС) пять композиций сплава предлагаемого состава и один сплав состава, взятого за прототип (масса металла каждой композиции сплава составляла ~8 кг). Затем из части металла этих сплавов изготавливали образцы (диаметр 7 мм, длина 7 мм) для определения температуры солидуса и температурного плавления. Оставшуюся часть металла этих сплавов переплавляли методом направленной кристаллизации в вакуумной печи лабораторной установки УНК-2 (Т_плавки ≈1700^oС) и получали изделия, выполненные из них, в виде прутков диаметром 20 и длиной 100 мм с направленной структурой. Направленную кристаллизацию проводили в атмосфере чистого аргона при G/R= 120...150^oC•ч/см².

На полученных после направленной кристаллизации прутках шлифованием вырезали в продольном направлении полосу и химическим травлением выявляли их микроструктуру. Затем из этих прутков изготавливали стандартные образцы для механических испытаний (длина образца 70 мм, рабочая база 25 мм, рабочий диаметр 5 мм) и измерений плотности. Механические испытания образцов при кратковременном растяжении проводили при температурах 20 и 1200^oС, испытания на длительную прочность проводили при температуре 1200^oС и нагрузке 7,5 кгс/мм³. Плотность измеряли при комнатной температуре. Все механические высокотемпературные испытания проводили в воздушной атмосфере без защитного жаростойкого покрытия поверхности образцов.

Содержание компонентов (мас.%) в сплавах и изделиях, выполненных из них, и их свойства приведены в табл.1 и 2 соответственно.

Как видно из табл.2, предлагаемый сплав и изделие, выполненное из него, имеют величину интервала плавления (кристаллизации) примерно на 30-40^oС меньше, чем сплав и изделие, выполненное из него, взятый за прототип. Это позволило при направленной кристаллизации предлагаемого сплава и изделия, выполненного из него, сформировать карбидную фазу в виде непрерывных нитевидных кристаллов, равномерно распределенных в столбчатых кристаллах матрицы. В результате долговечность сплава и изделия, выполненного из него, при температуре 1200^oС и напряжении 7,5 кгс/мм² почти в 10 раз больше, чем сплава и изделия, выполненного из него, взятого за прототип. Кроме того, предлагаемый сплав и изделие, выполненное из него, имеют улучшенные эксплутационные характеристики относительного удлинения и временного сопротивления при температуре 1200^oС, а также более высокое (на 30-50 кгс/мм²) временное сопротивление при комнатной температуре по сравнению со сплавом и изделием, выполненным из него, взятым за прототип.

Основой структуры предлагаемого сплава и изделия, выполненного из него, является многокомпонентная γ- фаза на основе интерметаллического соединения Ni₃Al (~ 90%), которая армирована 3-4% карбидных нитевидных кристаллов на основе NbC, остальное никелевый (σ1200100

)/dтвердый раствор. Сплав и изделие, выполненное из него, имеют пониженную плотность, составляющую 7,864-8,146 г/см³. Жаропрочные свойства сплава и изделия, выполненного из него, при испытании в воздушной среде без защитных жаростойких покрытий следующие: предел длительной прочности при 900, 1100 и 1200^oС на базе 100 ч соответственно равен 35,0, 12,0 и 7,0 кгс/мм²; удельная жаропрочность ≈0,9 км при температуре 1200^oС равна ≈0,9 км, т.е. в 1,5 раза более высокая, чем сплава и изделия, выполненного из него, взятого за прототип.

Таким образом, предлагаемый сплав на основе никеля и изделие, выполненное из этого сплава, имеют пониженную плотность и значительно превосходят известный сплав и изделие, выполненное из него, по характеристикам длительной прочности в интервале температур 900-1200^oС и кратковременной прочности в интервале температур 20-1200^oС, что позволяет рекомендовать этот сплав и изделие, выполненное из него, например рабочие лопатки, для использования в газовых турбинах высокотемпературных газотурбинных двигателей.

Литература
1. Патент США 4055447, Int. Cl.² C 22 C 19/03. 1977.

2. Патент РФ 1607422, Int. Cl. С 22 С 19/03. 1989.

3. Влияние структуры на механические свойства легированного интерметаллида Ni₃Al/Бунтушкин В.П., Базылева О.А., Поварова К.Б., Казанская Н.К., //Металлы. 1995. 3. С.74-79.

4. Механические и эксплуатационные свойства литейного жаропрочного сплава на основе интерметаллида Ni₃Al/Бунтушкин В.П., Каблов Е.Н., Базылева О.А.//Металлы. 1995. 3. С.70-73.

Изобретение относится к металлургии сплавов, в частности к составам жаропрочных сплавов на основе никеля и изготовленных методом направленной кристаллизации теплонагруженных изделий из них. Сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него, содержат следующие компоненты, маc.%: хром 3,5-4,5, алюминий 7,5-9,0, вольфрам 2,0-4,0, молибден 4,5-5,5, углерод 0,21-0,63, ниобий 3,3-5,1, лантан 0,001-0,01, кобальт 0,1-5,0, никель - остальное. Техническим результатом изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик сплава на основе никеля и изделия, выполненного из него, в интервале температур 20-1200^oС. 2 с.п. ф-лы, 2 табл.

1. Сплав на основе никеля, содержащий хром, алюминий, вольфрам, молибден, углерод, отличающийся тем, что он дополнительно содержит ниобий, лантан и кобальт при следующем соотношении компонентов, маc.%:
Хром - 3,5-4,5
Алюминий - 7,5-9,0
Вольфрам - 2,0-4,0
Молибден - 4,5-5,5
Углерод - 0,21-0,63
Ниобий - 3,3-5,1
Лантан - 0,001-0,01
Кобальт - 0,1-5,0
Никель - Остальное
2. Изделие, выполненное из сплава на основе никеля, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава следующего химического состава, мас.%:
Хром - 3,5-4,5
Алюминий - 7,5-9,0
Вольфрам - 2,0-4,0
Молибден - 4,5-5,5
Углерод - 0,21-0,63
Ниобий - 3,3-5,1
Лантан - 0,001-0,01
Кобальт - 0,1-5,0
Никель - ОстальноеУ