СПЛАВ НА ОСНОВЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДА NiAl Российский патент 2010 года по МПК C22C19/05 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным сплавам на основе интерметаллида Ni₃Al, получаемым методом направленной кристаллизации и монокристаллического литья, применяемым для изготовления деталей газотурбинных двигателей, таких как сопловые и рабочие лопатки, блоки сопловых лопаток, сегменты камеры сгорания, форсунки и другие, для авиационной и автомобильной промышленности.

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

Al 7,65-8,45 Cr 3,85-7,6 Mo 6,2-9,65 Zr 0,01-0,3 B 0,01-0,3 Ni остальное

(патент US №6106640)

Недостатками этого сплава являются низкая (1-2%) пластичность в диапазоне температур 20-700°С и недостаточная жаростойкость при температурах 1000-1100°С.

Изделия из этого сплава используются для наземных силовых установок с ограниченным ресурсом работы.

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

Al 7,7-8,7 Cr 5,0-6,0 Co 4,0-6,0 W 2,5-3,5 Mo 4,5-5,5 Re 1,2-1,8 Ti 0,3-0,8 C 0,001-0,02 Zr 0,05-0,5 La 0,002-0,20 Ni остальное

(патент РФ №2256716)

Этот сплав обладает недостаточными кратковременной прочностью и жаропрочностью при температуре 1200°С и не работоспособен при температуре выше 1200°С.

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

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

Al 9,2-9,6 Cr 4,2-4,8 W 2,7-3,2 Mo 2,8-3,2 Та 0,1-0,5 Ti 1,0-1,4 C 0,001-0,02 Zr 0,05-0,5 La 0,0015-0,015 Ni остальное

(патент РФ №2256714)

Недостатками этого сплава является пониженная кратковременная прочность при комнатной температуре и недостаточная жаропрочность в интервале температур 1000-1100°С на базе испытания 500 часов.

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

Al 8,5-9,5 Cr 4,8-5,5 W 2,6-3,2 Mo 2,5-3,5 Re 1,0-3,5 Ti 1,0-1,6 C 0,001-0,005 La 0,0015-0,015 Ni остальное

(патент РФ №2237093)

Недостатками этого сплава являются недостаточная кратковременная прочность при комнатной температуре и жаропрочность при температуре 1100°С на базе 500 часов и при 1200°С на базе 100 часов.

Изделия из этого сплава имеют ограниченный ресурс работы.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание сплава на основе интерметаллида Ni₃Al, обладающего повышенными кратковременной прочностью при комнатной температуре и жаропрочностью при температуре 1100°С на базе 500 часов и при 1200°С на базе 100 часов.

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

Al 8,0-8,8 Cr 5,0-6,0 W 2,2-3,0 Mo 3,0-4,0 Re 1,0-3,0 Ti 0,5-1,5 C 0,01-0,10 La 0,01-0,30 Zr 0,05-0,50 Hf 0,05-0,70 Y 0,01-0,10 Ni остальное

Авторами было установлено, что при введении в состав циркония и гафния, связывающих углерод и действующих как раскислитель иттрия, при заявленном содержании и соотношениях компонентов в предлагаемом сплаве на основе интерметаллида Ni₃Al наблюдается снижение содержания кислорода и примесей в расплаве и образование мелкодисперсных интерметаллидных фаз, при этом достигается наибольший эффект повышения кратковременной прочности при комнатной температуре и жаропрочности сплава при температурах 1100° на базе 500 часов и при 1200°С на базе 100 часов.

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.

Перед последующими операциями шихтовую заготовку протачивали по поверхности на глубину 1-2 мм для удаления слоя, контактирующего с чугуном, затем разрезали на мерные заготовки для последующего переплава весом по 3,5 кг методом направленной кристаллизации.

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, приведенные в таблице 2, определяли на стандартных образцах при соотношении 1/d=5. Критерием являются средние значения из 10 образцов на точку с доверительной вероятностью 0,8.

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 выше, чем свойства известного сплава-прототипа: кратковременная прочность при комнатной температуре (σ²⁰ _В) - на 10-24% и жаропрочность сплава на основе интерметаллида Ni₃Al при температуре 1100°С на базе 500 часов (σ¹¹⁰⁰ ₅₀₀) - на 17,6-29,4% и при 1200°С на базе 100 часов (σ¹²⁰⁰ ₁₀₀) - на 10,0-20,0%.

Использование предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Al повышает температуру газа перед турбиной, тягу двигателя, надежность деталей и увеличивает ресурс их работы.

Таблица 1 состав Содержание элементов, мас.% Al Cr W Mo Re Ti C La Hf Zr Y Ni 1 8,0 5,5 2,2 4,0 3,0 1,5 0,10 0,01 0,05 0,50 0,10 ост. 2 8,4 5,0 2,6 3,5 2,0 1,0 0,04 0,2 0,40 0,25 0,05 ост. 3 8,8 6,0 3,0 3,0 1,0 0,5 0,01 0,3 0,70 0,05 0,01 ост. прототип 9,0 5,15 2,9 3,0 1,75 1,3 0,003 0,01 - - - ост.

Таблица 2 Свойства σ_в ²⁰, кгс/мм² σ¹¹⁰⁰ ₅₀₀, кгс/мм² σ¹²⁰⁰ ₁₀₀, кгс/мм² 1 174,0 10,0 5,8 2 155,6 10,5 6,0 3 156,8 11,0 5,5 прототип 140,2 8,5 5,0

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным сплавам на основе интерметаллида Ni₃Al, получаемым методом направленной кристаллизации и монокристаллического литья, применяемым для изготовления деталей газотурбинных двигателей, таких как сопловые и рабочие лопатки, блоки сопловых лопаток, сегменты камеры сгорания, форсунки и другие, для авиационной и автомобильной промышленности. Предложен сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, содержащий, мас.%: Al 8,0-8,8, Cr 5,0-6,0, W 2,2-3,0, Mo 3,0-4,0, Re 1,0-3,0, Ti 0,5-1,5, C 0,01-0,10, La 0,01-0,30, Zr 0,05-0,50, Hf 0,05-0,70, Y 0,01-0,10, Ni - остальное. Сплав характеризуется повышенными кратковременной прочностью при комнатной температуре и жаропрочностью при температуре 1100°С на базе 500 часов и при 1200°С на базе 100 часов. Использование предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Al повышает температуру газа перед турбиной, тягу двигателя, надежность деталей и увеличивает ресурс их работы. 2 табл.

Сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, содержащий алюминий, хром, вольфрам, молибден, рений, титан, углерод, лантан и никель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит цирконий, гафний и иттрий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Al 8,0-8,8 Cr 5,0-6,0 W 2,2-3,0 Mo 3,0-4,0 Re 1,0-3,0 Ti 0,5-1,5 C 0,01-0,10 La 0,01-0,30 Zr 0,05-0,50 Hf 0,05-0,70 V 0,01-0,10 Ni остальное