СПЛАВ НА ОСНОВЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДА NiAl И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО Российский патент 2014 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 дендритной столбчатой (направленной кристаллизованной) структурой, таким как, например, сопловые лопатки, блоки сопловых лопаток и другие детали газотурбинных двигателей авиационной и автомобильной промышленности.

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

Al 2,4-6,5 V 8,1-15,5 Nb 0,8-8,6 B 0,005-0,05 Ni остальное

(Патент США 8197618)

Недостатком этого сплава является хрупкость 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 также 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 С 0,15-0,20 La 0,0015-0,0150 Zr 0,03-0,05 Y 0,01-0,02 В 0,008-0,018 Ni остальное

(Патент РФ №2405851)

Недостатком известного сплава является неудовлетворительная жаропрочность при температурах 1000 и 1050°C на базах испытания 100 и 500 часов.

Недостатком изделий, выполненных из известного сплава, является низкий выход годного при отливке изделий с дендритной столбчатой (направленной кристаллизованной) структурой.

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

Al 8,0-9,1 Cr 5,5-6,5 W 2,5-3,5 Mo 4,5-5,5 Ti 0,3-0,8 С 0,001-0,01 La 0,1-0,3 Zr 0,05-0,5 Hf 0,1-0,5 Та 0,1-1,0

Ni и технологические примеси - остальное

и изделие, выполненное из него

(Патент РФ №2351673)

Сплав обладает недостаточной пластичностью при комнатной температуре.

Изделия, выполненные из этого сплава, имеют низкий выход годного при отливке с дендритной столбчатой (направленной кристаллизованной) структурой.

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

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 Co 3,5-4,5 С 0,01-0,08 La 0,0015-0,015 Sc 0,015-0,03 Ni остальное

и изделие, выполненное из него

(Патент РФ №2349663)

Недостатком сплава-прототипа является недостаточно высокая жаропрочность при температурах 1000 и 1050°С на базах испытания 100, 500 и 1000 часов и недостаточный выход годного.

Изделия из этого сплава имеют ограниченный ресурс эксплуатации.

Технической задачей изобретения является создание сплава на основе интерметаллида Ni₃Al, обладающего повышенной жаропрочностью при температурах 1000 и 1050°С на базах испытания 100, 500 и 1000 часов и повышение выхода годного при отливке изделий с дендритной столбчатой (направленной кристаллизованной) структурой.

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

Al 8,4-9,0 Cr 4,5-5,5 W 3,0-3,8 Mo 3,0-3,8 Ti 0,3-0,8 Co 6,5-7,5 С 0,02-0,08 La 0,0015-0,015 Hf 0,3-0,8 Ni остальное

и изделие, выполненное из него

Сплав может содержать в виде примесей следующие элементы, мас.%: 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, увеличение содержания в сплаве вольфрама приводит к упрочнению γ′ и γ-твердого раствора, кобальта - к упрочнению γ-твердого раствора и повышению пластичности при комнатной температуре, технологичности, а, следовательно, и выхода годного. При введении в состав гафния, действующего как карбидообразующий элемент, наблюдается образование мелкодисперсной карбидной фазы. При введении в состав гафния ниже 0,3 масс.% он будет выполнять роль только раскислителителя, что недопустимо при заявленном содержании других легирующих элементов, в частности, углерода. При повышении содержания гафния более 0,8 масс.% возможно образование легкоплавкого соединения Ni₅Hf (Тпл.=1190°С).

При заявленном содержании и соотношениях компонентов в предлагаемом сплаве на основе интерметаллида Ni₃Al достигается наибольший эффект повышения жаропрочности сплава при температурах 1000 и 1050°С на базах испытания 100, 500 и 1000 часов и повышения выхода годного при отливке изделий с дендритной столбчатой 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 изделия в виде модельных сопловых лопаток газотурбинных двигателей с дендритной столбчатой структурой получали методом направленной кристаллизации в вакууме.

Выход годного по дендритной столбчатой структуре заготовок образцов и отливок изделий контролировали путем выявления макроструктуры травлением в смеси соляной кислоты и перекиси водорода. Годными по макроструктуре отбирались отливки, имеющие 2-3 зерна с границами зерен, ориентированными преимущественно вдоль оси отливки.

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 являлись 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 сплава-прототипа: жаропрочность при температуре 1000°C на базе испытания 100 часов (σ¹⁰⁰⁰ ₁₀₀) - на 11,0-18,5%; жаропрочность при температуре 1000°C на базе испытания 500 часов (σ¹⁰⁰⁰ ₅₀₀) - на 17,5-29,5%; жаропрочность при температуре 1000°С на базе испытания 1000 часов (σ¹⁰⁰⁰ ₁₀₀₀) - на 50,0-58,0%; жаропрочность при температуре 1050°C на базе испытания 100 часов (σ¹⁰⁵⁰ ₅₀₀) - на 10,5-24,5%; жаропрочность при температуре 1050°C на базе испытания 500 часов (σ¹⁰⁵⁰ ₅₀₀) - на 22,5-30,5%; жаропрочность при температуре 1050°C на базе испытания 1000 часов (σ¹⁰⁵⁰ ₁₀₀₀) - на 40-50%; выход годного отливок изделий по дендритной столбчатой структуре на 12,0-17,0%.

Использование предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Al повысит надежность изделий и увеличит ресурс их работы.

Таблица 1 Составы предлагаемого сплава и сплава-прототипа Состав Содержание элементов, масс.% Al Cr W Mo Ti Co С La Sc Hf Ni 1 8,7 5,0 3,4 3,4 0,6 7,0 0,05 0,010 - 0,5 ост. 2 8,4 5,5 3,8 3,0 0,8 6,5 0,02 0,0015 - 0,3 ост. 3 9,0 4,5 3,0 3,8 0,3 7,5 0,08 0,015 - 0,8 ост. Прототип 8,5 5,0 2,1 5,0 0,9 4,0 0,05 0,010 0,02 - ост.

Таблица 2 Свойства предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Al и сплава-прототипа Свойства σ¹⁰⁰⁰ ₁₀₀, МПа σ¹⁰⁰⁰ ₅₀₀, МПа σ¹⁰⁰⁰ ₁₀₀₀, МПа σ¹⁰⁵⁰ ₁₀₀, МПа σ¹⁰⁵⁰ ₅₀₀, МПа σ¹⁰⁵⁰ ₁₀₀₀, кгс/мм² Выход годного при получении дендритной столбчатой структуры, % 1 152,0 103,0 88,5 110,0 78,5 68,5 90,0 2 157,0 108,0 93,0 103,0 83,5 73,5 87,5 3 147,0 98,0 88,5 98,0 78,5 68,5 85,0 Прототип 132,5 83,5 59,0 88,5 64,0 49,0 73,0

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным сплавам на основе интерметаллида Ni₃Al и изделиям, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям с дендритной столбчатой структурой, таким как, например, сопловые лопатки, блоки сопловых лопаток и другие детали газотурбинных двигателей авиационной и автомобильной промышленности. Сплав на основе интерметаллида Ni₃Al имеет следующий химический состав, мас.%: Al 8,4-9,0, Cr 4,5-5,5, W 3,0-3,8, Mo 3,0-3,8, Ti 0,3-0,8, Co 6,5-7,5, C 0,02-0,08, La 0,0015-0,015, Hf 0,3-0,8, Ni - остальное. Сплав на основе интерметаллида Ni₃Al характеризуется повышенной жаропрочностью при температурах 1000 и 1050°C на базах испытания 100, 500 и 1000 часов. Использование предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Al повысит надежность изделий и увеличит ресурс их работы. 2 н.п. ф-лы, 2 табл., 3 пр.

1. Сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, содержащий алюминий, хром, вольфрам, молибден, титан, кобальт, углерод, лантан, никель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит гафний при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Al 8,4-9,0 Cr 4,5-5,5 W 3,0-3,8 Mo 3,0-3,8 Ti 0,3-0,8 Co 6,5-7,5 С 0,02-0,08 La 0,0015-0,015 Hf 0,3-0,8 Ni остальное

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