СПЛАВ НА ОСНОВЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДА NiAl И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО Российский патент 2015 года по МПК C22C19/05 

Группа изобретений относится к области металлургии, а именно к литейным сплавам на основе интерметаллида Ni₃Al и изделиям из данных сплавов, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям с поликристаллической структурой, например сопловым лопаткам, блокам сопловых лопаток, створкам регулируемого сопла и другим деталям газотурбинных двигателей авиационной промышленности и общего машиностроения.

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 C 0,1-0,2 Si 0,9-1,2 B 0,005-0,015 Y 0,005-0,015 Ni остальное,

а также изделие, выполненное из этого сплава (патент РФ №2230812, опубл. 20.06.2004 г.).

Недостатком этого сплава является низкая кратковременная прочность при комнатной температуре и недостаточная жаропрочность при температурах от 1000°C до 1200°C.

Вследствие невысоких прочностных характеристик номенклатура изделий из этого сплава ограничена, в основном это бандажные полки рабочих лопаток и вкладыши сопловых аппаратов газовых турбин.

Известен сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, предназначенный для изделий, получаемых методом точного литья по выплавляемым моделям, следующего химического состава, 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 C 0,12-0,2 Co 3,5-4,5 La 0,0015-0,0150 Zr 0,05-0,50 Ni остальное,

а также изделие, выполненное из этого сплава (патент РФ №2245387, опубл. 27.01.2005 г.).

Недостатком этого сплава является неудовлетворительная термоусталость в интервале температур от 100°C до 1050°C, а также недостаточная кратковременная прочность при температурах от 1000°С до 1200°C, что существенно сужает область применения изделий из этого сплава.

Изделия из этого сплава, например сопловые лопатки ГТД, имеют недостаточную долговечность.

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

Al 8,5-9,5 Cr 4,5-5,5 W 1,5-2,5 Mo 2,0-3,0 Co 6,0-8,0 Zr 1,0-1,3 C 0,15-0,20 B 0,001-0,005 Y 0,001-0,005 Ni остальное,

а также изделие, выполненное из этого сплава (патент РФ №2349662, опубл. 20.03.2009 г.).

Недостатком данного сплава является неудовлетворительная кратковременная σ_в и длительная σ₁₀₀ (на базе 100 часов) прочность при температурах 1050°C и 1100°C образцов, полученных методом точного литья по выплавляемым моделям с поликристаллической структурой.

Изделия из этого сплава, например сопловые лопатки, блоки сопловых лопаток ГТД, имеют низкий выход годного и ограниченный ресурс работы.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение кратковременной прочности σ_в и длительной прочности σ₁₀₀ при температурах 1050°C и 1100°C сплава на основе интерметаллида Ni₃Al и изделия, выполненного из этого сплава.

Для достижения поставленного технического результата предложен сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, содержащий алюминий, хром, вольфрам, молибден, кобальт, цирконий, углерод, иттрий и никель, который дополнительно содержит титан и лантан, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Al 8,3-8,9 Cr 4,5-5,2 W 4,0-4,6 Mo 3,8-4,2 Ti 1,2-1,6 Co 5,4-6,0 Zr 0,05-0,50 C 0,15-0,20 La 0,05-0,25 Y 0,01-0,05 Ni остальное,

и изделие, выполненное из этого сплава.

Авторами было установлено, что при введении в состав сплава титана и лантана в заявленном соотношении компонентов в предлагаемом сплаве на основе интерметаллида Ni₃Al наблюдается снижение содержания газов, в частности кислорода, и выделение дисперсных частиц типа La₃Me по границам зерен и межфазным границам, что приводит к снижению скорости диффузии при высоких температурах и как следствие повышению кратковременной и длительной прочности на базе 100 часов при температурах 1050°C и 1100°C.

Пример осуществления изобретения

Шихтовую заготовку для последующего переплава из предлагаемого сплава с различным соотношением компонентов и сплава, известного из прототипа, выплавляли из чистых шихтовых материалов в вакуумной индукционной печи с тиглем из основной футеровки. После разливки сплавов в кокили диаметром 90 мм отбирали стружку на химический анализ. Результаты химического анализа составов сплавов приведены в таблице 1.

Содержание легирующих элементов, газов и примесей, таких как сера, фосфор, железо, висмут, олово, свинец, кремний и сурьма, определяли по стандартным методикам. Перед последующими операциями шихтовую заготовку протачивали по поверхности на глубину 1-2 мм для удаления слоя, контактировавшего с чугуном, затем разрезали на мерные заготовки для последующего переплава: весом по 5,5 кг для получения заготовок под образцы методом точного литья по выплавляемым моделям с поликристаллической структурой.

Свойства предлагаемого сплава с различным соотношением компонентов и сплава, известного из прототипа, определяли на стандартных образцах при соотношении l/d=5, где l - длина образца; d - диаметр образца по ГОСТ 9651, ГОСТ 10145. Критерием являлись средние значения из 10 образцов на точку с доверительной вероятностью 0,8.

Механические свойства предлагаемого сплава с различным соотношением компонентов и сплава, известного из прототипа, полученных по одной и той же технологической схеме, приведены в таблице 2.

Из таблицы 2 видно, что механические свойства предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Al выше, чем свойства сплава, известного из прототипа: кратковременная прочность при температуре 1050°C $$\left({\sigma }_{в}^{1050}\right)$$ - на 22,7-27,3%; кратковременная прочность при температуре 1100°C $$\left({\sigma }_{в}^{1100}\right)$$ - на 26,8-30,4%; длительная прочность на базе 100 часов при температуре 1050°C $$\left({\sigma }_{100}^{1050}\right)$$ - на 61,1-72,2%; длительная прочность на базе 100 часов при температуре 1100°C $$\left({\sigma }_{100}^{1100}\right)$$ - на 52,2-73,9%.

Использование предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Al и изделий, выполненных из этого сплава, приводит к повышению тяги двигателя, надежности деталей двигателя и увеличивает ресурс их работы.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным сплавам на основе интерметаллида Ni₃Al и изделиям из этих сплавов, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям с поликристаллической структурой, например деталям газотурбинных двигателей. Сплав на основе интерметаллида Ni₃Al содержит, мас.%: Al 8,3-8,9, Cr 4,5-5,2, W 4,0-4,6, Mo 3,8-4,2, Ti 1,2-1,6, Co 5,4-6,0, Zr 0,05-0,50, C 0,15-0,20, La 0,05-0,25, Y 0,01-0,05, Ni - остальное. Технический результат - повышение кратковременной прочности и длительной прочности сплава при температурах 1050°С и 1100°C. 2 н.п. ф-лы, 2 табл., 1 пр.

1. Сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, содержащий алюминий, хром, вольфрам, молибден, кобальт, цирконий, углерод, иттрий и никель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит титан и лантан при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Al 8,3-8,9 Cr 4,5-5,2 W 4,0-4,6 Mo 3,8-4,2 Ti 1,2-1,6 Co 5,4-6,0 Zr 0,05-0,50 C 0,15-0,20 La 0,05-0,25 Y 0,01-0,05 Ni остальное

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