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 и изделиям, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям с поликристаллической и направленной столбчатой структурами, таким как, например, сопловые лопатки, блоки сопловых лопаток, створки регулируемого сопла и другие детали газотурбинных двигателей авиационной и автомобильной промышленности.

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

Al 11,5 Со 11,5 Мо 1,0 Hf 1,75 Nb 0,5 Zr 0,05 Ni остальное

(Патент США №4613368). Недостатком этого сплава является низкая (<3%) пластичность при температурах 600-800°С и невысокая рабочая температура (до 800°С).

Изделия из этого сплава используются для наземных силовых установок при температурах эксплуатации до 800°С.

Известен сплав на основе интерметаллида Ni₃Al следующего химического состава, 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

(Патент РФ №2230812). Недостатками этого сплава являются недостаточные кратковременная прочность при комнатной температуре и жаропрочность при температурах 1000-1200°С.

Изделия из этого сплава, например бандажные полки рабочих лопаток и вкладыши соплового аппарата газовых турбин имеют ограниченный ресурс работы.

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

Al 8,0-9,0 Cr 4,5-6,5 W 2,0-4,2 Mo 2,5-4,5 Ti 1,0-2,0 С 0,10-0,18 Hf 0,40-0,60 Ni остальное

(Патент РФ №2304179). Недостатком известного сплава является недостаточная жаропрочность при температурах 1100-1200°С на базе испытания 500 часов.

Сплав предназначен для сопловых лопаток и проставок соплового аппарата и других деталей ГТД.

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

Al 8,0-9,0 Cr 5,0-6,0 W 4,5-5,5 Mo 2,5-3,5 Ti 1,2-2,0 Zr 0,005-0,040 С 0,12-0,15 Y 0,3-0,4 Ni остальное

(Патент РФ №2215054). Недостатками сплава-прототипа являются недостаточно высокие жаропрочность при температурах 1100-1200°С на базе 100 часов, жаростойкость при 1250°С (привес за 100 часов) и рабочая температура (1250°С).

Сплав предназначен для деталей камеры сгорания, высокотемпературного крепежа авиационных двигателей, резьбовых захватов испытательных машин и не может быть использован для лопаток турбин.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание сплава на основе интерметаллида Ni₃Al, обладающего повышенной жаропрочностью при температурах 1100-1200°C на базе 100 часов и жаростойкостью при 1250°С, повышение его рабочей температуры до 1300°С, которая подтверждается значениями кратковременной прочности.

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

Al 8,0-10,8 Cr 4,0-6,0 W 1,5-5,5 Ti 1,0-1,4 Zr 0,03-0,05 С 0,15-0,20 Y 0,01-0,02 La 0,0015-0,0150 В 0,008-0,018 Ni остальное

Авторами было установлено, что при введении в состав лантана и бора, при заявленном содержании и соотношениях компонентов в предлагаемом сплаве на основе интерметаллида Ni₃Al наблюдается снижение содержания кислорода в расплаве и образование мелкодисперсной интерметаллидной и боридной фаз, при этом достигается наибольший эффект повышения жаропрочности сплава при температурах 1100-1200°C, жаростойкости при 1250°C, повышение рабочей температуры.

Примеры осуществления

Шихтовую заготовку из предлагаемого сплава 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.

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°C в течение 1 ч, охлаждение на воздухе.

Свойства предлагаемого сплава 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 сплава-прототипа: жаропрочность при температуре 1100°С на базе испытания 100 часов на образцах с поликристаллической (равноосной) структурой (σ¹¹⁰⁰ ₁₀₀) - на 30,95-38,1%, с направленной столбчатой структурой - на 18,2-27,3%; жаропрочность при температуре 1200°C на базе испытания 100 часов с поликристаллической (равноосной) структурой (σ¹²⁰⁰ ₁₀₀) - на 80,0-100%, с направленной столбчатой структурой - на 75,0-100%; жаростойкость при 1250°С на 24-36%; рабочая температура - на 50°С.

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

Таблица 1 Составы предлагаемого сплава и сплава-прототипа Состав Содержание элементов, мас.% Al Cr W Ti C Zr Y La В Мо Ni 1 8,0 4,0 1,5 1,0 0,15 0,03 0,01 0,0015 0,008 - ост. 2 10,8 5,0 5,5 1,2 0,20 0,05 0,02 0,0150 0,018 - ост. 3 9,4 6,0 3,5 1,4 0,18 0,04 0,015 0,0080 0,013 - ост. прототип 8,5 5,5 5,0 1,6 0,13 0,02 0,35 - - 3,0 ост.

Таблица 2 Свойства предлагаемого сплава на основе и сплава-прототипа № п/п σ¹¹⁰⁰ ₁₀₀, МПа,
PK σ¹¹⁰⁰ ₁₀₀ МПа,
HK σ¹²⁰⁰ ₁₀₀, МПа,
PK σ¹²⁰⁰ ₁₀₀ МПа,
HK σ_в ¹³⁰⁰ МПа,
PK σ_в ¹³⁰⁰ МПа,
HK Привес за 100 ч при 1250°C 1 55 68 22 35 20 60 19 2 56 65 20 40 22 65 16 3 58 70 20 38 25 70 18 4 - прототип 42 55 10 20 - - -

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным сплавам на основе интерметаллида Ni₃Al и изделиям, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям с поликристаллической и направленной столбчатой структурами, таким как, например, сопловые лопатки, блоки сопловых лопаток, створки регулируемого сопла и другие детали газотурбинных двигателей авиационной и автомобильной промышленности. Предложен сплав на основе интерметаллида Ni₃Al следующего химического состава, мас.%: Al 8,0-10,8, Cr 4,0-6,0, W 1,5-5,5, Ti 1,0-1,4, Zr 0,03-0,05, С 0,15-0,20, Y 0,01-0,02, La 0,0015-0,0150, В 0,008-0,018, Ni - остальное. Сплав характеризуется повышенной жаропрочностью при температурах 1100-1200°C на базе 100 часов и жаростойкостью при 1250°C. 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, титан, цирконий, углерод, иттрий, никель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит лантан и бор при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Al 8,0-10,8 Cr 4,0-6,0 W 1,5-5,5 Ti 1,0-1,4 Zr 0,03-0,05 С 0,15-0,20 Y 0,01-0,02 La 0,0015-0,0150 В 0,008-0,018 Ni остальное