СПЛАВ НА ОСНОВЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДА NIAL И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО Российский патент 2004 года по МПК C22C19/05 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным интерметаллидным сплавам на основе Ni₃Аl и изделиям, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям. Сплав предназначен для литых деталей авиационных газотурбинных двигателей, длительно эксплуатируемых в окислительной среде в условиях большого числа теплосмен при значительных скоростях нагрева и охлаждения контактирующих поверхностей, испытывающих значительные нагрузки, преимущественно для бандажных полок рабочих лопаток и вкладышей сопловых аппаратов газовых турбин.

Известен сплав на основе интерметаллида Ni₃Аl следующего химического состава, мас.%:

Аl 10-12

Fe 14,5-17,5

Мо 2,7-4,0

Hf 0,9-1,7

С 0,01-0,06

Се 0,005

Ni Остальное (патент Франция №2603902)

Недостатком этого сплава является не превышающая 950°С рабочая температура и склонность к трещинообразованию при увеличении количества теплосмен.

Изделия из этого сплава, например проставки соплового аппарата, имеют ограниченный ресурс работы, что связано с низкой трещиностойкостью.

Известен сплав на основе интерметаллида Ni₃Аl следующего химического состава, мас.%:

Al 8-9

Cr 5-6,8

W 2,7-4,0

Мо 3,0-4,3

Ti 1,3-2,2

С 0,13-0,18

Sn 0,03-0,08

Ni Остальное (патент РФ №2088686)

Недостатком этого сплава является низкая прочность и недостаточная жаропрочность в интервале температур 650-1000°С.

Изделия из этого сплава, например бандажные полки ГТД, имеют низкий выход годного и недостаточную долговечность.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является сплав на основе интерметаллида Ni₃Аl, имеющий химический состав, мас.%:

Al 7,8-9,0

Cr 5,0-6,5

W 2,7-4,0

Мо 3,0-4,0

Ti 0,8-1,2

С 0,001-0,005

Sn 0,03-0,05

Zr 0,05-0,5

Ni Остальное (патент РФ №2198233)

Недостатком этого сплава является неудовлетворительная жаростойкость при температуре 1300°С, недостаточная термостойкость при больших скоростях нагрева и охлаждения и значительный износ при трении сопрягающихся поверхностей.

Изделия из этого сплава, например бандажные полки рабочих лопатки ГТД, имеют короткий ресурс работы.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка сплава и изделия, выполненного из него, обладающих повышенной жаростойкостью при температуре 1300°С, высокой термостойкостью при больших скоростях нагрева и охлаждения и незначительным износом при трении сопрягающихся поверхностей.

Для достижения поставленной технической задачи предлагается сплав на основе интерметаллида Ni₃Аl, содержащий алюминий, хром, вольфрам, титан, углерод, который дополнительно содержит кремний, бор и иттрий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Аl 10,5-12,5

Сr 4-6

W 1,5-2,5

Ti 1,0-1,6

С 0,1-0,2

Si 0,9-1,2

В 0,005-0,015

Y 0,005-0,015

Ni Остальное

и изделие, выполненное из него.

В качестве примесей в сплаве могут содержаться железо, ниобий, молибден и марганец в количествах до 0,3 мас.% каждого; а также сера, фосфор, свинец, висмут, олово и сурьма соответственно не более 0,005; 0,005; 0,001; 0,0005; 0,003 и 0,003 мас.%.

Авторами было установлено, что при заявленных соотношениях компонентов в предлагаемом сплаве на основе интерметаллида Ni₃Аl и дополнительном введении кремния, бора и иттрия наблюдается уплотнение оксидной пленки и улучшается ее адгезия с основным материалом, а также за счет образования боридов происходит снижение газонасыщения по границам зерен и их упрочнение. В объеме зерен помимо γ- фазы выделяются дисперсные интерметаллидные соединения иттрия Ni₃Аl(γ), что способствует снижению скорости диффузии при высоких температурах, как в объеме зерна, так и по его границам, что в свою очередь обеспечивает повышеннную жаростойкость сплава при температуре 1300°С, высокую термостойкость, незначительный износ при трении сопрягающихся поверхностей и, кроме этого, плотность сплава ниже, чем у сплава-прототипа.

Изделие, выполненное из предлагаемого сплава, имеет повышенные надежность и ресурс работы.

Примеры осуществления

Шихтовую заготовку из предлагаемого сплава различных составов и сплава-прототипа выплавляли из чистых шихтовых материалов в вакуумной индукционной печи с тиглем из основной футеровки. После разливки сплавов в кокили ⊘ 60 мм отбирали стружку на химический анализ. Результаты химанализа составов сплава приведены в табл.1.

Содержание легирующих элементов, газов и примесей, таких как железо, ниобий, молибден, марганец сера, фосфор, свинец, висмут, олово и сурьма определяли по стандартным методикам.

Перед последующими операциями шихтовую заготовку протачивали по поверхности на глубину 1-2 мм для удаления слоя, контактирующего с чугуном, затем разрезали на мерные заготовки весом по 6 кг для последующего переплава.

Образцы ⊘ 16 мм и длиной 75 мм получали методом равноосной кристаллизации, при этом температура заливки металла составляет 1580-1620°С, температура формы - 950-1000°С.

Свойства предлагаемого сплава с различным соотношением компонентов и сплава-прототипа, полученных по одной и той же технологической схеме, приведены в табл.2.

Из табл.2 видно, что свойства предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Аl выше, чем свойства известного. Привес при окислении на воздухе за 100 часов при 1300°С на 17-28% у сплава-прототипа превышает привес при этих же характеристиках у предлагаемого сплава. Термостойкость предлагаемого сплава до появления первой трещины длиной 3 мм в продуктах сгорания авиационного топлива при скоростях нагрева и охлаждения V_нагр.=V_охл.=1 мин от 200°С⇔1200°С на 44,4-48,6% лучше, чем у сплава-прототипа. Износостойкость (износ по массе) на воздухе при трении по ЖС6У при удельном давлении Р_уд.=4,2 кгс/см и скорости скольжения 2 м/с предлагаемого сплава на 50-54% ниже износостойкости сплава-прототина при температуре 20°С и на 47-77% - при температуре 850°С, при этом предлагаемый сплав на 5,7% легче сплава-прототипа.

Использование предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Аl повышает надежность изделий и увеличивает их ресурс работы.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным интерметаллидным сплавам на основе Ni₃Al и изделиям, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям. Сплав предназначен для литых деталей авиационных газотурбинных двигателей, длительно эксплуатируемых в окислительной атмосфере в условиях большого числа теплосмен при значительных скоростях нагрева и охлаждения контактирующих поверхностей, испытывающих значительные нагрузки, преимущественно для бандажных полок рабочих лопаток и вкладышей сопловых аппаратов газовых турбин. Предложен сплав и изделие на основе интерметаллида Ni₃Al, содержащий алюминий, хром, вольфрам, титан, углерод, при этом он дополнительно содержит кремний, бор и иттрий при следующем соотношении компонентов, мас.%: Al 10,5-12,5; Cr 4-6; W 1,5-2,5; Ti 1,0-1,6; С 0,1-0,2; Si 0,9-1,2; В 0,005-0,015; Y 0,005-0,015; Ni остальное. Использование указанного сплава повышает надежность изделий и увеличивает ресурс работы. 2 с.п. ф-лы, 2 табл.

1. Сплав на основе интерметаллида Ni₃Аl, содержащий алюминий, хром, вольфрам, титан, углерод, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кремний, бор и иттрий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Аl 10,5-12,5

Сr 4-6

W 1,5-2,5

Ti 1,0-1,6

С 0,1-0,2

Si 0,9-1,2

В 0,005-0,015

Y 0,005-0,015

Ni Остальное