СПЛАВ НА ОСНОВЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДА NiAl И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО Российский патент 2009 года по МПК C22C19/05 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным сплавам на основе интерметаллида Ni₃Al и изделиям, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям с направленной столбчатой и монокристаллической структурами, таким как, например, рабочие и сопловые лопатки, блоки сопловых лопаток и другие детали газотурбинных двигателей авиационной, автомобильной промышленности.

Известен сплав на основе интерметаллида Ni₃Al следующего химического состава, мас.%:

Al7,6-8,5Мо6,1-9,6Cr3,8-7,7Zr0,07-0,34В0,01-0,33Niостальное

(патент США №6106640).

Недостатком этого сплава является нулевая пластичность при комнатной температуре и неудовлетворительная пластичность в диапазоне температур 100-800°С.

Изделия из этого сплава используются для наземных ГТД при температурах эксплуатации до 1100°С.

Известен сплав на основе интерметаллида Ni₃Al и изделия, получаемые методами гранульной металлургии, следующего химического состава, мас.%:

Al8,0-9,0Cr4,0-5,0W4,5-5,5Мо1,8-3,2Ti1,2-2,0Та1,2-2,2С0,03-0,09Er0,02-0,08Niостальное

(патент РФ №2297467).

Недостатком этого сплава является неудовлетворительная выносливость при температурах 20 и 900°С.

Из этого сплава изготавливают детали, имеющие небольшой ресурс.

Известен сплав на основе интерметаллида Ni₃Al следующего химического состава, мас.%:

Al7,7-8,7Cr5,0-6,0W2,5-3,5Mo4,5-5,5Ti0,3-0,8С0,001-0,02Со4,0-6,0Re1,2-1,8La0,002-0,2Zr0,05-0,5Niостальное

(патент РФ №2256716).

Недостатком этого сплава является повышенная плотность и неудовлетворительная жаропрочность при температуре 1200°С на базе 100 часов, что ограничивает номенклатуру отливаемых изделий.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, имеющий состав, мас.%:

Al8,0-9,0Cr4,5-5,5W1,8-2,5Mo4,5-5,5Ti0,6-1,2С0,12-0,2Со3,5-4,5La0,0015-0,015Zr0,05-0,5Niостальное

и изделие, выполненное из него (патент РФ №2245387).

Недостатком этого сплава является неудовлетворительная жаропрочность в интервале температур 900-1100°С на базе испытания 500 часов.

Недостатком изделий, выполненных из этого сплава, является низкий выход годного при отливке деталей с направленной столбчатой и монокристаллической структурами.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение жаропрочности сплава на основе интерметаллида Ni₃Al в интервале температур 900-1100°С на базе 500 часов и повышение выхода годного при отливке деталей с направленной столбчатой и монокристаллической структурами.

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

Al8,0-9,0Cr4,5-5,5W1,8-2,5Mo4,5-5,5Ti0,6-1,2С0,01-0,08Со3,5-4,5La0,0015-0,015Sc0,015-0,03Niостальное

и изделие, выполненное из него.

Сплав может содержать в виде примесей серу, фосфор, железо, кремний, свинец, висмут, олово и сурьму соответственно в количествах, меньших или равных, мас.%: 0,005; 0,015; 0,5; 0,4; 0,001; 0,0005; 0,003; 0,003.

Авторами было установлено, что при введении в состав скандия, действующего как раскислитель, и заявленном содержании и соотношениях компонентов в предлагаемом сплаве на основе интерметаллида Ni₃Al наблюдается снижение содержания кислорода в расплаве и образование мелкодисперсной интерметаллидной фазы, при этом достигается наибольший эффект повышения жаропрочности сплава в интервале температур 900-1100°С и повышения выхода годного при отливке изделий с направленной столбчатой и монокристаллической структурами.

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 ⊘ 90 мм отбирали стружку на химический анализ. Результаты химического анализа составов сплава приведены в таблице 1.

Содержание легирующих элементов, газов и примесей, таких как сера, фосфор, сурьма, висмут 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 2 кг для последующего переплава.

Заготовки под образцы ⊘ 16 мм и длиной 150 мм получали методом направленной кристаллизации в вакууме.

Поверхность образцов и деталей контролировалась путем выявления макроструктуры травлением в смеси соляной кислоты и перекиси водорода. При наличии одного макрозерна вдоль оси образца - отливки считаются монокристаллическими, при наличии двух и более зерен без выклиниваний - с направленной столбчатой структурой.

С целью повышения жаропрочности сплава при высоких температурах, а также стабильности свойств механически обработанные образцы и детали термообрабатывали на воздухе по следующему режиму: отжиг при температуре 1150±10°С в течение 1 ч, охлаждение на воздухе.

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 Ni₃Al выше, чем свойства известного сплава-прототипа: жаропрочность при температуре 900°С на базе испытания 500 часов на образцах с направленной столбчатой структурой (σ⁹⁰⁰ ₅₀₀) - на 27,6 - 37,9%, с монокристаллической структурой - на 66,7 - 72,7%; жаропрочность при температуре 1000°С на базе испытания 500 часов с направленной столбчатой структурой (σ¹⁰⁰⁰ ₅₀₀) - на 66,7 - 111,1%, с монокристаллической структурой - на 36,8 - 57,9%; жаропрочность при температуре 1100°С на базе испытания 500 часов с направленной столбчатой структурой (σ¹¹⁰⁰ ₅₀₀) - на 57,1 - 100%, с монокристаллической структурой - на 77,8 - 100%; выход годного деталей с направленной столбчатой структурой - на 27,8 - 31,9%, с монокристаллической структурой - в 1,5-1,75 раз.

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

Изобретение относится к металлургии, а именно к литейным сплавам на основе интерметаллида Ni₃Al и изделиям, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям с направленной столбчатой и монокристаллической структурами, таким как рабочие и сопловые лопатки, блоки сопловых лопаток и другие детали газотурбинных двигателей авиационной, автомобильной промышленности. Для повышения жаропрочности сплава в интервале температур 900-1100°С на базе 500 часов и повышения выхода годного при отливке деталей с монокристаллической структурой из сплава он содержит, 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 0,01-0,08, Со 3,5-4,5, La 0,0015-0,015, Sc 0,015-0,03, Ni - остальное. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.

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

Al8,0-9,0Cr4,5-5,5W1,8-2,5Mo4,5-5,5Ti0,6-1,2С0,01-0,08Co3,5-4,5La0,0015-0,015Sc0,015-0,03Niостальное