СПЛАВ НА ОСНОВЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДА NIAL И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО Российский патент 2005 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 с поликристаллической, структурой, таким как, например, сопловые лопатки, проставки соплового аппарата, крупногабаритные створки и другие детали газотурбинных двигателей авиационной, автомобильной промышленности и судостроения.

Известен сплав на основе интерметаллида Ni₃Аl следующего химического состава, (маc.%):

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 900°С рабочая температура и склонность к трещинообразованию при увеличении количества теплосмен.

Изделия из этого сплава используются, например, для проставок соплового аппарата с ограниченным ресурсом работы при температурах эксплуатации до 900°С.

Известен сплав на основе интерметаллида Ni₃Аl, следующего химического состава, (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 низкая прочность и недостаточная жаропрочность в интервале температур 850-1000°С.

Изделия из этого сплава, например, рабочие лопатки ГТД имеют короткий ресурс работы, а также ограничена номенклатура отливаемых деталей.

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

Al 7,8-9,0

Cr 4,5-5,5

W 1,8-2,5

Мо 4,5-5,5

Ti 0,6-1,2

С 0,007-0,02

Со 3,5-4,5

La 0,0015-0,015

Ni остальное

Патент РФ №2114206.

Недостатком этого сплава является недостаточно высокая кратковременная прочность, жаропрочность при температурах 1150-1200°С и неудовлетворительная жаростойкость при температуре 1150°С.

Изделия из этого сплава, например, сопловые лопатки, блоки сопловых лопаток ГТД имеют низкий выход годного и недостаточную долговечность.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка сплава и изделия, выполненного из него, обладающих повышенными кратковременной прочностью и жаропрочностью при температурах 1150-1200°С, высокой жаростойкостью при температуре 1150°С.

Для достижения поставленной технической задачи предлагается сплав на основе интерметаллида Ni₃Аl, содержащий алюминий, хром, вольфрам, молибден, титан, углерод, кобальт, лантан, никель, который дополнительно содержит цирконий при следующем соотношении компонентов, маc.%:

Аl 8,0-9,0

Cr 4,5-5,5

W 1,8-2,5

Мо 4,5-5,5

Ti 0,6-1,2

С 0,12-0,2

Со 3,5-4,5

La 0,0015-0,015

Zr 0,05-0,5

Ni остальное

и изделие, выполненное из него.

Авторами было установлено, что при заявленных соотношениях компонентов в предлагаемом сплаве на основе интерметаллида Ni₃Аl и дополнительном введении циркония наблюдается уплотнение оксидной пленки и улучшается ее адгезия с основным материалом, что обеспечивает удовлетворительную жаростойкость сплава при 1150°С. Образование сложных дисперсных карбидов типа МеС благоприятной округлой формы по границам зерен при увеличении содержания углерода и упрочнение в объеме зерен γ-твердого раствора способствует снижению скорости диффузии при высоких температурах, как в объеме зерна, так и по границам, что в свою очередь обеспечивает повышенные прочность и жаропрочность сплава при температурах 1150-1200°С.

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 химического анализа составов сплава приведены в таблице 1.

Содержание легирующих элементов, газов и примесей, таких как железо, кремний, 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 таблице 2.

Из таблицы 2 видно, что свойства предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Аl выше, чем свойства известного. Привес при окислении на воздухе за 500 часов при 1150°С на 28,9-31,0% у сплава-прототипа превышает привес при этих же характеристиках у предлагаемого сплава.

Прочность при 1150°С (σ1150B

) на 27,8-41,7% у предлагаемого сплава выше, чем у сплава-прототипа; при 1200°С (σ1200B) - на 56,25-93,75%.

Таблица 1
Составы предлагаемого сплава и сплава-прототипасоставСодержание элементов, % масс. АlCrWМоTiССоZrLaNiI8,54,51,85,00,90,123,50,10,0015Осн.II9,05,02,154,51,20,24,00,050,01Осн.III8,05,52,55,50,60,164,50,50,015Осн.прототип8,45,02,155.00,90,0154,0-0,01Осн.Таблица 2
Свойства предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Аl и сплава-прототипаСвойстваПривес при окислении на воздухе за 500 часов при 1150°С, г/м²σ_в¹¹⁵⁰ кгс/мм²σ_в¹²⁰⁰, кгс/мм²σ₁₀₀¹¹⁵⁰ кгс/ммσ₅₀₀¹¹⁵⁰ кгс/ммσ₁₀₀¹²⁰⁰ кгс/мм²I19825,515,04,02,52,2II20223,815,53,52,41,8III19623,012,54,12,32,3прототип28418,08,02,81,81,6

Жаропрочность по времени до разрушения при температуре 1150°С на базе 100 часов (σ1150100

) у предлагаемого сплава на 25,0-46,4% выше, чем у сплава-прототипа; на базе 500 часов при этой же температуре (σ1150500) – на 27,8-38,9%; при температуре 1200°С на базе 100 часов (σ1200100) у предлагаемого сплава на 12,5-43,75% выше, чем у сплава-прототипа.

Использование предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Аl повышает надежность изделий и увеличивает их ресурс работы в 2 раза.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным интерметаллидным сплавам на основе Ni₃Al и изделиям, получаемым из этого сплава методом точного литья по выплавляемым моделям с поликристаллической, направленной столбчатой и монокристаллической структурами, например, рабочим и сопловым лопаткам, деталям газотурбинных двигателей, применяемых в авиационной, автомобильной промышленности и судостроении. Предложен сплав на основе Ni₃Al, содержащий алюминий, хром, вольфрам, молибден, титан, углерод, кобальт, лантан и никель, при этом он дополнительно содержит цирконий при следующем соотношении компонентов, мас.%: Al 8,0-9,0, Cr 4,5-5,5, W 1,8-2,5, Мо 4,5-5,5, Ti 0,6-1,2. С 0,12-0,2, Со 3,5-4,5, La 0,0015-0,015, Zr 0,05-0,5, Ni остальное, а также изделие, выполненное из него. Технический результат - получение сплава, обладающего повышенными кратковременной прочностью и жаропрочностью при температурах 1150-1200°С, высокой жаростойкостью при температуре 1150°С. Изделия из предлагаемого сплава обладают повышенной надежностью с увеличенным ресурсом работы. 2 с.п.ф-лы, 2 табл.

1. Сплав на основе интерметаллида Ni₃Аl, содержащий алюминий, хром, вольфрам, молибден, титан, углерод, кобальт, лантан и никель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит цирконий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Аl 8,0-9,0

Сr 4,5-5,5

W 1,8-2,5

Мо 4,5-5,5

Ti 0,6-1,2

С 0,12-0,2

Со 3,5-4,5

La 0,0015-0,015

Zr 0,05-0,5

Ni Остальное

2. Изделие из сплава на основе интерметаллида Ni₃Al, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п.1.