СПЛАВ НА ОСНОВЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДА NiAl И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО Российский патент 2013 года по МПК C22C19/05 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству сплавов на основе интерметаллида Ni₃Al и изделиям, получаемым из них методом направленной кристаллизации, с монокристаллической или столбчатой структурами, например лопаток газовых турбин, работающих при температурах до 1200°C.

Известен сплав на основе интерметаллида Ni₃Аl следующего химического состава, атомн.%:

Алюминий 15,5-10,0 Хром 4-8 Молибден 3,5-5,5 Цирконий 0,04-0,2 Бор 0,04-1,5 Никель остальное

(патент США №6106640)

Известный сплав обладает недостаточной прочностью при растяжении и жаропрочностью при температуре 1200°С. Сплав имеет предел прочности 130 МПа, предел текучести 127 МПа; при температуре 1040°С и напряжении 11,9 МПа время до разрушения при испытании на длительную прочность сплава составляет 137,9 ч.

Из известного сплава изготавливают детали горячего тракта газотурбинного двигателя.

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

Алюминий 7,7-8,7 Хром 5,0-6,0 Молибден 4,5-5,5 Вольфрам 2,5-3,5 Титан 0,3-0,8 Углерод 0,001-0,02 Кобальт 4,0-6,0 Рений 1,2-1,8 Лантан 0,002-0,200 Цирконий 0,05-0,5 Никель Остальное

и изделие, выполненное

из него (патент РФ №2256716)

Недостатком известного сплава и изделия с монокристаллической структурой, например рабочие лопатки газовой турбины, выполненные из этого сплава, является склонность к образованию топологически плотноупакованных (ТПУ) фаз при длительном воздействии высоких температур. Отрицательное влияние ТПУ фаз на свойства сплава и изделия проявляется в том, что они служат источником зарождения микротрещин, ведущих к преждевременному разрушению изделий, выполненных из него. Кроме этого, ТПУ фазы связывают значительное количество легирующих элементов Re, Mo, W и, тем самым, обедняют ими фазы на основе интерметаллида Ni₃Al (γ'-фаза) и на основе никеля (γ-фаза), повышая скорость диффузии атомов компонентов сплава и, следовательно, понижая сопротивление высокотемпературной ползучести. В результате известный сплав и изделия, выполненные из него, обладают недостаточной прочностью при растяжении и жаропрочностью: при температуре 1200°С сплав с монокристаллической структурой в кристаллографическом направлении [001] имеет предел прочности ~170 МПа, предел текучести ~165 МПа; долговечность сплава при испытании на длительную прочность при напряжении 40 МПа составляет ~90 ч.

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

Алюминий 7,8-9,0 Хром 4,5-5,5 Молибден 4,5-5,5 Вольфрам 1,8-2,5 Титан 0,6-1,2 Углерод 0,007-0,02 Кобальт 3,5-4,5 Лантан 0,0015-0,015 Никель остальное (патент РФ №2114206)

Сплав-прототип с монокристаллической структурой в кристаллографическом направлении [001] обладает недостаточно высокими характеристиками кратковременной и длительной прочности, что не обеспечивает достижения требуемых показателей надежности и ресурса изделий с монокристаллической структурой в кристаллографическом направлении [001], например сопловых лопаток газовой турбины, выполненных из сплава-прототипа.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание сплава на основе интерметаллида Ni₃Al и изделия, выполненного из него, обладающих повышенными характеристиками кратковременной прочности в интервале температур 20-1200°С и длительной прочности в интервале температур 1000-1200°С.

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

Алюминий 8,0-8,8 Хром 3,0-4,0 Молибден 4,0-5,0 Вольфрам 2,0-3,0 Углерод 0,002-0,05 Кобальт 4,0-6,0 Рений 0,15-0,65 Лантан 0,005-0,25 Тантал 5,6-6,4 Церий 0,001-0,02 Никель остальное

и изделие, выполненное из него

При дополнительном легировании танталом предлагаемого сплава повышение характеристик кратковременной и длительной прочности достигается за счет увеличения периода кристаллической решетки интерметаллидной γ'-фазы на основе Ni₃Al, содержание которой в структуре сплава составляет ~90% (по объему). Тантал в основном растворяется в γ'-фазе сплава с коэффициентом распределения между γ'-фазой и равновесным с ней γ-раствором, равным ~3. Поэтому действие тантала в заявленном соотношении вызывает значительно большее увеличение периода кристаллической решетки интерметаллидной γ'-фазы по сравнению с влиянием других компонентов сплава на этот важный фактор прочности и жаропрочности.

Введение в состав сплава на основе интерметаллида Ni₃Al рения, который растворяется практически полностью в γ-фазе, занимающей в структуре сплава ~10% (по объему), понижает диффузионную подвижность атомов компонентов в этой фазе, и, следовательно, повышает их высокотемпературные характеристики кратковременной прочности и сопротивление длительной высокотемпературной ползучести.

Введение в состав предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Al редкоземельного элемента церия за счет синергетического действия с редкоземельным элементом лантаном при заявленном соотношении остальных легирующих элементов значительно усиливает влияние этих редкоземельных элементов на упрочнение межфазных поверхностей раздела в сплаве на основе интерметаллида Ni₃Al между γ'-фазой и равновесным с ней γ-твердым раствором, усиливая при высоких температурах сопротивление высокотемпературной ползучести, окислению и коррозии сплава и изделия из него.

Исключение из химического состава заявляемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Al титана наряду с легированием более тугоплавкими элементами танталом и рением способствует увеличению температуры плавления сплава и изделия из него и тем самым понижает их гомологическую температуру. Поэтому в соответствии с известным соотношением D_i=D₀ехр(-18/T_гом) (здесь D_i - коэффициенты диффузии легирующих i элементов, Т_гом=T/T_пл - гомологическая температура) диффузионная подвижность атомов компонентов в таком сплаве будет ниже и, следовательно, длительная прочность выше.

Изделия из предлагаемого сплава, например лопатки газовых турбин, будут иметь повышенную долговечность, а следовательно, надежность и ресурс.

Примеры осуществления

В вакуумной индукционной печи были выплавлены три сплава предлагаемого состава и один сплав состава, взятого за прототип. Химические составы (в масс.%) предлагаемого сплава и сплава-прототипа приведены в таблице 1. Затем выплавленные сплавы переплавляли в вакуумной установке для направленной кристаллизации и получали изделия с монокристаллической структурой, главная ось симметрии которых совпадала с кристаллографическим направлением роста [001], в виде отливок (диаметр 16 мм, длина 185 мм). Далее из этих отливок изготавливали образцы для дифференциального термического анализа, по результатам которого определяли температуру плавления Т_пл. С учетом измеренной температуры плавления отливки с монокристаллической структурой подвергали высокотемпературной термической обработке, включающей гомогенизирующий отжиг с последующим охлаждением с контролируемой скоростью. Из термически обработанных таким образом монокристаллических отливок изготавливали образцы для механических испытаний (длина образца 70 мм, рабочая база 25 мм, рабочий диаметр 5 мм) на растяжение и длительную прочность и рентгеноструктурного анализа, по результатам которых определяли предел прочности, предел текучести, длительную прочность и период кристаллической решетки γ'-фазы. Механические испытания проводили в атмосфере воздуха при температурах 20 и 1200°С, длительную прочность - при температурах 1000 и 1200°С и напряжениях 170 и 50 МПа соответственно, определение периода кристаллической решетки γ'-фазы осуществлялось при комнатной температуре. Полученные характеристики композиций сплава-прототипа, заявляемого сплава и изделий, выполненных из него, приведены в таблице 2.

Как видно из таблицы 2, предлагаемый сплав имеет более высокие значения температуры плавления (на 12-20°С), периода кристаллической решетки γ'-фазы (на 0,0006-0,0008 нм), чем сплав, взятый за прототип. В результате повышения этих структурно-фазовых характеристик и совместного действия редкоземельных элементов характеристики кратковременной прочности при температурах 20 и 1200°С предлагаемого сплава соответственно на 46-70% и 44-47% больше, чем сплава и изделий из него, взятого за прототип.

Таблица 1 № п/п   Al Cr Mo W Ti С Со La Та Re Се Ni 1 Сплав-прототип 8,5 5,0 5,0 2,1 0,9 0,01 4,0 0,015 - - - Ост. 2 Предлагаемый сплав 8,0 4,0 5,0 2,0 - 0,002 6,0 0,25 6,4 0,15 0,001 Ост. 3 8,4 3,5 4,5 3,0 - 0,05 4,0 0,005 5,6 0,4 0,01 Ост. 4 8,8 3,0 4,0 2,5 - 0,02 5,0 0,12 6,0 0,65 0,02 Ост.

Таблица 2 № п/п Сплав Т_пл, °C α_γ', нм σ_B (20°C) σ_0,2 (20°С) σ_B (1200°С) σ_0,2 (1200°С) Время до разрушения при испытании на длительную прочность, ч МПа 1000°С, σ=170, МПа 1200°С, σ=50, МПа 1 Сплав-прототип 1318 0,35739 548 323 195 187 59 68 2 Предлагаемый сплав 1331 0,35819 870 550 315 300 112 117 3 1330 0,35805 840 550 290 285 105 93 4 1338 0,35801 820 560 280 275 94 98 Т_пл - температура плавления; α_γ' - период кристаллической решетки γ' - фазы на основе интерметаллида Ni₃Al; σ_B - предел прочности; σ_0,2 - предел текучести; σ - напряжение

Характеристика длительной прочности - долговечность (время до разрушения) - предлагаемого сплава больше в 1,6 раза при температуре 1000°С и в 1,4 раза при температуре 1200°С, чем сплава-прототипа.

Повышенные значения температуры плавления и характеристик высокотемпературной прочности, которые имеет предлагаемый сплав по сравнению со сплавом, взятым за прототип, позволяют получать из предлагаемого сплава при направленной кристаллизации более совершенную монокристаллическую структуру отливок деталей с заданным кристаллографическим направлением.

Таким образом, предлагаемый сплав на основе интерметаллида Ni₃Al значительно превосходит сплав-прототип по характеристикам кратковременной и длительной прочности, что позволяет повысить надежность и ресурс турбинных лопаток с монокристаллической структурой при рабочих температурах до 1200°С.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству сплавов на основе интерметаллида Ni₃Аl и изделиям, получаемым из них методом направленной кристаллизации, с монокристаллической или столбчатой структурами, например лопаток газовых турбин, работающих при температурах до 1200°С. Сплав характеризуется повышенными характеристиками кратковременной прочности в интервале температур 20-1200°С и длительной прочности в интервале температур 1000-1200°С. Сплав содержит, мас.%: алюминий 8,0-8,8, хром 3,0-4,0, молибден 4,0-5,0, вольфрам 2,0-3,0, углерод 0,002-0,05, кобальт 4,0-6,0, рений 0,15-0,65, лантан 0,005-0,25, тантал 5,6-6,4, церий 0,001-0,02, никель - остальное. Повышается надежность и ресурс выполненных из заявленного сплава турбинных лопаток с монокристаллической структурой при рабочих температурах до 1200°С. 2 н.п. ф-лы, 2 табл., 4 пр.

1. Сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, содержащий алюминий, хром, молибден, вольфрам, углерод, кобальт, лантан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит рений, тантал и церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Алюминий 8,0-8,8 Хром 3,0-4,0 Молибден 4,0-5,0 Вольфрам 2,0-3,0 Углерод 0,002-0,05 Кобальт 4,0-6,0 Рений 0,15-0,65 Лантан 0,005-0,25 Тантал 5,6-6,4 Церий 0,001-0,02 Никель остальное

2. Изделие из сплава на основе интерметаллида Ni₃Аl, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п.1.