СПЛАВ НА ОСНОВЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДА NiAl И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО Российский патент 2007 года по МПК C22C19/03 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным интерметаллидным сплавам на основе Ni₃Al и изделиям, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям с монокристаллической структурой, таким как рабочие и сопловые лопатки газотурбинных двигателей, используемых в авиационной промышленности.

Известен сплав на основе интерметаллида Ni₃Al (Патент США №4990199), следующего химического состава мас.%:

Al10-16Si0,5-8Та0,5-9Hf0,1-2В0,1-2Niостальное

Сплав обладает недостаточно высокими качествами - не превышающая 850°С рабочая температура и неудовлетворительная долговечность при рабочей температуре.

Изделия из этого сплава используются в наземных газоперекачивающих установках с ограниченным ресурсом работы.

Известен сплав на основе интерметаллида Ni₃Al (Патент РФ 2256716), следующего химического состава мас.%:

Al7,7-8,7Cr5,0-6,0W2,5-3,5Мо4,5-5,5Ti0,3-0,8C0,001-0,02Со4,0-6,0Re1,2-1,8La0,002-0,2Zr0,05-0,5Niостальное

Недостатком этого сплава является не превышающая 1100°С рабочая температура и недостаточная долговечность при рабочей температуре.

Изделия из этого сплава могут быть использованы в газотурбинных двигателях с ограниченным ресурсом работы.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является сплав на основе интерметаллида Ni₃Al (Патент РФ 2237093), имеющий химический состав мас.%:

Al8,5-9,5Cr4,8-5,5W2,6-3,2Мо2,5-3,5Ti1,0-1,6С0,001-0,005Re1,0-3,5La0,0015-0,015Niостальное

Сплав обладает недостаточно высокими жаропрочностью и кратковременной прочностью при температуре 1200°С, а также циклической термостойкостью при нагреве и охлаждении 200↔1200°С.

Применение изделий из этого сплава ограничено для двигателей нового поколения.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка сплава и изделия, выполненного из него, обладающих повышенными жаропрочностью и кратковременной прочностью при температуре 1200°С и циклической термостойкостью при нагреве и охлаждении 200↔1200°С.

Для достижения поставленной технической задачи предлагается сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, содержащий алюминий, хром, молибден, вольфрам, титан, углерод, рений, лантан, никель, который дополнительно содержит тантал и цирконий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Al8,2-8,6Cr4,8-5,2Мо2,5-3,0W2,0-2,4Ti1,2-1,5С0,001-0,02Re0,05-1,2La0,015-0,3Та1,2-1,6Zr0,05-0,5Niостальное

и изделие, выполненное из него.

Авторами было установлено, что при введении тантала и циркония и заявленном содержании и соотношениях компонентов в предлагаемом сплаве на основе интерметаллида Ni₃Al наблюдается образование эвтектической термостабильной структуры в осях дендритов и одновременно образование гетерофазной структуры в межосных пространствах, что способствует снижению скорости диффузии при высоких температурах, как в объеме зерна, так и по границам и обеспечивает повышение жаропрочности и кратковременной прочности при температуре 1200°С и термоусталости сплава.

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 ⊘50 мм отбирали стружку на химический анализ. Результаты химанализа 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.

Таблица 1СоставСодержание элементов, мас.%AlCrМоWTiСReLaТаZrNi18,25,02,52,21,50,0011,00,0151,40,5Ост.28,64,83,02,01,30,0151,20,151,20,3"-"38,45,22,752,41,20,020,050,31,60,05"-"Прототип9,05,23,02,91,30,0032,250,01--"-"

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 2 кг для последующего переплава методом высокоградиентной направленной кристаллизации. После переплава получали образцы ⊘16 мм и длиной 150 мм.

Свойства предлагаемого сплава с различным соотношением компонентов и сплава-прототипа приведены в таблице 2.

Таблица 2СвойстваПредел длительной прочности (жаропрочность) при 1200°С на базе100 час (σ₁₀₀ ¹²⁰⁰), МПаПредел кратковременной прочности при 1200°С (σ_B ¹²⁰⁰), МПаТермостойкость циклическая при 200↔1200°С, V_н=V_охл.=1 мин.; цикл.155250,6464258249,0466360241,0465Прототип50210360

Из таблицы 2 видно, что свойства предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Al выше, чем свойства известного. Предел длительной прочности (жаропрочность) при температуре 1200°С на базе 100 часов (σ₁₀₀ ¹²⁰⁰) предлагаемого сплава на 10,0-20,0% выше, чем известного сплава; предел кратковременной прочности при температуре 1200°С (σ_B ¹²⁰⁰) - на 14,8-19,3%; термостойкость циклическая при 200↔1200°С, V_н=V_охл.=1 мин у предлагаемого сплава выше на 28,9-29,4%, чем у сплава-прототипа.

Использование предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Al повышает надежность изделий и увеличивает ресурс их работы.

Изобретение относится к литейным интерметаллидным сплавам на основе Ni₃Al и изделиям, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям с монокристаллической структурой, таким как рабочие и сопловые лопатки газотурбинных двигателей, используемых в авиационной промышленности. Сплав содержит, мас.%: Al 8,2-8,6, Cr 4,8-5,2, Мо 2,5-3,0, W 2,0-2,4, Ti 1,2-1,5, С 0,001-0,02, Re 0,05-1,2, La 0,015-0,3, Та 1,2-1,6, Zr 0,05-0,5, Ni - остальное. Сплав имеет повышенные жаропрочность и кратковременную прочность при температуре 1200°С и циклическую термостойкость при нагреве и охлаждении 200↔1200°С. Использование предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Al повышает надежность изделий и увеличивает ресурс их работы. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.

1. Сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, содержащий алюминий, хром, молибден, вольфрам, титан, углерод, рений, лантан, никель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит тантал и цирконий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Al8,2-8,6Cr4,8-5,2Мо2,5-3,0W2,0-2,4Ti1,2-1,5С0,001-0,02Re0,05-1,2La0,015-0,3Та1,2-1,6Zr0,05-0,5Niостальное