СПЛАВ НА ОСНОВЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДА NiAl С МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО Российский патент 2014 года по МПК C22C19/05 

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

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

Al 7,0-20,0 W 0,5-10,0 Mo 0,5-9,0 Ti 2,0-15,0 В 0-0,2 Mn 0-0,5 Si 0-0,5 Hf 0-0,5 Ni остальное

(Патент США №5167732).

Недостатком известного сплава является хрупкость при комнатной температуре и невысокая (до 900°C) рабочая температура.

Изделия из этого сплава используются для наземных ГТД при температурах эксплуатации до 900°C.

Известен также сплав на основе интерметаллида Ni₃Al с монокристаллической структурой следующего химического состава, масс.%:

Al 7,8-9,04 Cr 5,0-6,5 W 2,7-4,0 Mo 3,0-4,0 Ti 0,8-1,5 С 0,001-0,02 La 0,016-0,25 Zr 0,05-0,5 Ni остальное

и изделие, выполненное из него (Патент РФ №2353692).

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

Из этого сплава невозможно изготовление ответственных силовых деталей, таких как рабочие лопатки турбин низкого и высокого давления ГТД.

Известен сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, получаемый методом точного литья по выплавляемым моделям, с монокристаллической структурой, следующего химического состава, масс.%:

Al 8,0-9,0 Cr 4,5-5,5 W 1,8-2,5 Mo 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

и изделие, выполненное из него (Патент РФ №2349663).

Недостатком сплава является неудовлетворительные кратковременная прочность и жаропрочность при температуре 1100°C на базе 100 часов, что ограничивает номенклатуру отливаемых изделий.

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

Al 7,7-8,7 Cr 5,0-6,0 W 2,5-3,5 Mo 4,5-5,5 Ti 0,3-0,8 С 0,001-0,02 Со 4,0-6,0 Re 1,2-1,8 La 0,002-0,200 Zr 0,05-0,5 Ni остальное

и изделие, выполненное из него (Патент РФ №2256716).

Недостатком этого сплава является неудовлетворительная жаропрочность при температурах 1000 и 1100°C на базах испытания 100 и 500 часов.

Недостатком изделий, выполненных из этого сплава, является низкий выход годного при отливке изделий с монокристаллической структурой.

Технической задачей изобретения является создание сплава на основе интерметаллида Ni₃Al с монокристаллической структурой с повышенной жаропрочностью при температурах 1000 и 1100°C на базах испытания 100 и 500 часов, повышение выхода годного при отливке изделий.

Для достижения поставленной технической задачи предложен сплав на основе интерметаллида Ni₃Al с монокристаллической структурой, содержащий алюминий, хром, вольфрам, молибден, титан, кобальт, рений, углерод, лантан, никель, который дополнительно содержит иттрий, при следующем соотношении компонентов, масс.%:

Al 8,0-9,0 Cr 4,5-5,5 W 2,0-2,8 Mo 3,5-4,3 Ti 0,3-0,7 Co 4,5-5,5 Re 1,2-1,8 С 0,001-0,05 La 0,0015-0,015 Y 0,015-0,03 Ni остальное

и изделие, выполненное из него.

Сплав может содержать в виде примесей следующие элементы, масс.%: серу ≤0,005, фосфор ≤0,015, железо ≤0,5, кремний ≤0,4; свинец ≤0,001, висмут ≤0,0005, олово ≤0,003 и сурьму ≤0,003.

Было установлено, что снижение содержания молибдена в сплаве приводит к повышению жаростойкости, следовательно, и жаропрочности. При введении в состав иттрия, действующего как раскислитель, в предлагаемом сплаве на основе интерметаллида Ni₃Al наблюдается снижение содержания кислорода в расплаве, образование частиц мелкодисперсных наноразмерной интерметаллидной фазы типа Ni₅Y, которые выделяются на межфазных границах, тормозят движение дислокации и развитие трещин. При снижении содержания иттрия ниже заявленного предела не происходит образование интерметаллидной фазы типа Ni₅Y, a Y выполняет роль только раскислителя. Увеличение содержания иттрия выше заявленного предела приводит к образованию легкоплавкой фазы типа Ni₇Y₂ (Тпл.=1237°С).

При заявленном содержании и соотношениях компонентов в предлагаемом сплаве на основе интерметаллида Ni₃Al достигается наибольший эффект повышения жаропрочности сплава при температурах 1000 и 1100°С на базах испытания 100 и 500 часов и повышения выхода годного при отливке изделий с монокристаллической структурой.

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 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 3,2 кг для последующего переплава.

Заготовки под образцы ⌀ 16 мм и длиной 150 мм и отливки изделий (сопловых лопаток ГТД) с монокристаллической структурой получали методом точного литья по выплавляемым моделям с использованием затравок заданной кристаллографической ориентации (КГО).

Поверхность заготовок образцов и отливок изделий контролировали путем выявления макроструктуры травлением в смеси соляной кислоты и перекиси водорода. При наличии одного макрозерна вдоль оси образца - отливки считаются монокристаллическими. Монокристаллические отливки, признанные годными по макроструктуре, подвергали 100% рентгеновскому контролю для определения кристаллографической ориентации и отклонений от КГО. Годными по монокристаллической структуре считали отливки с отклонением по КГО≤10°С.

С целью снятия остаточных напряжений и повышения 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 l/d=5. Критерием являются средние значения из 10 образцов на точку с доверительной вероятностью 0,8.

Из таблицы 2 видно, что свойства предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Al выше, чем свойства известного сплава-прототипа: жаропрочность при температуре 1000°С на базе испытания 100 часов (σ¹⁰⁰⁰ ₁₀₀) - на 10,5-13,0%; жаропрочность при температуре 1000°С на базе испытания 500 часов (σ¹⁰⁰⁰ ₅₀₀) - на 15-20,5%; жаропрочность при температуре 1100°С на базе испытания 100 часов (σ¹¹⁰⁰ ₁₀₀) - на 10-12,0%; жаропрочность при температуре 1100°С на базе испытания 500 часов (σ¹¹⁰⁰ ₅₀₀) на 11,5-23,5%; выход годного по монокристаллической структуре отливок деталей - выше на 25-32,5%.

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

Таблица 1 Составы предлагаемого сплава и сплава-прототипа Состав Содержание элементов, масс.% Al Cr W Mo Ti Co Re С La Zr Y Ni 1 8,5 5,0 2,5 4,0 0,5 5,0 1,5 0,03 0,010 - 0,02 ост. 2 8,0 5,5 2,0 3,5 0,3 4,5 1,2 0,05 0,0015 - 0,03 ост. 3 9,0 4,5 2,8 4,3 0,7 5,5 1,8 0,001 0,015 - 0,015 ост. Прототип 8,3 5,8 3,0 5,0 0,5 5,0 1,5 0,01 0,1 0,3 - ост.

Таблица 2 Свойства предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Al с монокристаллической структурой и сплава-прототипа Свойства σ¹⁰⁰⁰ ₁₀₀, МПа σ¹⁰⁰⁰ ₅₀₀, МПа σ¹¹⁰⁰ ₁₀₀, МПа σ¹¹⁰⁰ ₅₀₀, МПа выход годного при получении монокристаллической структуры, % 1 260,0 196,0 134,5 93,0 82,5 2 260,0 191,5 135,0 98,0 80,5 3 255,0 201,0 137,5 103,0 75,0 Прототип 230,5 166,5 122,5 83,5 50,0

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам на основе интерметаллида Ni₃Al с монокристаллической структурой и выполненным из них изделиям, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям, таким как рабочие и сопловые лопатки, блоки сопловых лопаток и другие детали газотурбинных двигателей авиационной, автомобильной промышленности. Сплав на основе интерметаллида Ni₃Al с монокристаллической структурой имеет следующий химический состав, масс.%: Al 8,0-9,0, Cr 4,5-5,5, W 2,0-2,8, Mo 3,5-4,3, Ti 0,3-0,7, Co 4,5-5,5, Re 1,2-1,8, C 0,001-0,05, La 0,0015-0,015, Y 0,015-0,03, Ni - остальное. Сплав характеризуется повышенной жаропрочностью при температурах 1000 и 1100°С на базах испытания 100 и 500 часов. Использование монокристаллического сплава на основе интерметаллида Ni₃Al повышает надежность изделий и увеличивает ресурс их работы. 2 н.п. ф-лы, 2 табл., 3 пр.

1. Сплав на основе интерметаллида Ni₃Al с монокристаллической структурой, содержащий алюминий, хром, вольфрам, молибден, титан, кобальт, рений, углерод, лантан, никель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит иттрий, при следующем соотношении компонентов, масс.%:
Al 8,0-9,0 Cr 4,5-5,5 W 2,0-2,8 Мо 3,5-4,3 Ti 0,3-0,7 Co 4,5-5,5 Re 1,2-1,8 С 0,001-0,05 La 0,0015-0,015 Y 0,015-0,03 Ni остальное

2. Изделие из сплава на основе интерметаллида Ni₃Al с монокристаллической структурой, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п.1.