СПЛАВ НА ОСНОВЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДА NiAl И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО Российский патент 2016 года по МПК C22C19/05 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным жаропрочным сплавам на основе интерметаллида Ni₃Al, предназначенным для изготовления методом направленной кристаллизации и монокристаллического литья, например, сопловых и рабочих лопаток, блоков сопловых лопаток, сегментов камеры сгорания, створок и других деталей горячего тракта газотурбинных двигателей авиационной промышленности.

Известен сплав (патент US 6106640, МПК С22С 19/05, С22С 019/05; опубл. 22.08.2000) на основе интерметаллида Ni₃Al со следующим химическим составом, атомн. %:

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

Сплав обладает недостаточной прочностью при растяжении при повышенных температурах. При температуре 1200°C предел прочности составляет 130 МПа, предел ползучести - 127 МПа. Вследствие невысоких прочностных характеристик номенклатура изделий из этого сплава ограничена.

Известен сплав (патент РФ 2198233, МПК С22С 19/05, опубл. 10.02.2003 г.) на основе интерметаллида Ni₃Al, следующего химического состава, масс. %:

Алюминий 7,8-9,0 Хром 5,0-6,5 Молибден 3,0-4,0 Вольфрам 2,7-4,0 Титан 0,8-1,2 Углерод 0,001-0,005 Олово 0,03-0,05 Цирконий 0,05-0,5 Никель остальное

а также изделие, выполненное из этого сплава. Сплав обладает недостаточной жаропрочностью при температуре 1200 с на базе испытания 100 часов для кристаллографической ориентации (КТО) [001], что существенно сужает область применения изделий из этого сплава.

Известен сплав (патент РФ 2256716, МПК С22С 19/05, опубл. 20.07.2005 г.) 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 Рений 1,2-1,8 Кобальт 4,0-6,0 Углерод 0,001-0,02 Лантан 0,002-0,2 Цирконий 0,05-0,5 Никель остальное

а также изделие, выполненное из этого сплава.

Сплав обладает недостаточной кратковременной прочностью и пределом текучести при комнатной температуре, низким уровнем жаростойкости при температурах выше 1100°C, что существенно сужает область применения изделий из этого сплава.

Известен сплав (патент РФ 2484167, МПК С22С 19/05, опубл. 10.06.2013 г.) на основе интерметаллида Ni₃Al, следующего химического состава, 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

а также изделие, выполненное из этого сплава.

Сплав обладает недостаточной кратковременной прочностью и пределом текучести при комнатной температуре.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип (патент РФ 2434068, МПК С22С 19/05, опубл. 20.11.2011 г.), является сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, имеющий химический состав, масс. %:

Алюминий 8,2-8,7 Хром 2,5-6,0 Молибден 2,8-4,2 Вольфрам 2,8-4,5 Титан 0,01-1,2 Тантал 0,5-5,5 Рений 0,01-1,4 Кобальт 0,01-5,5 Углерод 0,015-0,08 Лантан 0,015-0,4 Гафний 0,01-0,6 Цирконий 0,01-0,08 Иттрий 0,015-0,15 Никель остальное

а также изделие, выполненное из этого сплава.

Значения кратковременной прочности ( $${\sigma }_{в}^{20}$$ ) и предела текучести ( $${\sigma }_{\mathrm{0,2}}^{20}$$ ) при комнатной температуре для КГО [001] составляют 950 МПа и 700 МПа соответственно, что является недостаточным уровнем для обеспечения требуемой надежности и ресурса работы деталей ГТД.

Технической задачей и техническим результатом предлагаемого изобретения являются повышение жаропрочности при температуре 1200°C на базе 100 часов, кратковременной прочности и предела текучести при комнатной температуре для КГО [001] сплава на основе интерметаллида Ni₃Al и изделия, выполненного из этого сплава.

Для достижения поставленного технического результата предлагается сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, содержащий алюминий, хром, молибден, вольфрам, титан, тантал, рений, кобальт, углерод, лантан, гафний, цирконий, иттрий, никель, который дополнительно содержит неодим, эрбий, празеодим при следующем соотношении компонентов, масс. %:

Алюминий 8,2-8,7 Хром 2,5-6,0 Молибден 2,8-4,2 Вольфрам 2,8-4,5 Титан 0,01-1,2 Тантал 0,5-5,5 Рений 0,01-1,4 Кобальт 0,01-5,5 Углерод 0,015-0,08 Лантан 0,015-0,4 Гафний 0,01-0,6 Цирконий 0,01-0,08 Иттрий 0,015-0,15 Суммарное содержание   Эрбия, Неодима и Празеодима 0,1-0,3 Никель остальное

и изделие, выполненное из этого сплава.

Было установлено, что при введении в предлагаемый сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, редкоземельных металлов неодима, празеодима и эрбия в заявленном соотношении, наблюдается связывание кислорода в соединения (Nd,Pr,Er)₂О₃, затруднение скольжения дислокаций, за счет образования атмосфер Котрелла, упрочнение γ-твердого раствора сплава и образование мелкодисперсных интерметаллидных фаз типа Er₂Al₃, (Nd,Pr,Er)Al, ErRe₂, (Nd,Pr,Er)Ni₅, (Nd,Pr,Er)ZrAl₂, что приводит к снижению ликвационной неоднородности, повышению жаропрочности при температуре 1200°C на базе 100 часов, повышению кратковременной прочности и предела текучести при комнатной температуре для КГО [001], а также к повышению жаростойкости сплава при температуре 1200°C.

Использование предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Al и изделий, выполненных из этого сплава, приводит к повышению надежности изделий, таких как рабочие и сопловые лопатки, и увеличивает ресурс их работы за счет повышения жаропрочности, кратковременной прочности ( $${\sigma }_{в}^{20}$$ ) и предела текучести ( $${\sigma }_{\mathrm{0,2}}^{20}$$ ) при комнатной температуре для КГО [001] сплава.

Примеры осуществления изобретения

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 стальные трубы диаметром 90 мм отбирали стружку на химический анализ. Результаты химического анализа составов предлагаемого сплава и сплава-прототипа приведены в таблице 1.

Содержание легирующих элементов, газов, примесей, таких как сера, фосфор, сурьма, висмут, определяли по стандартным методикам.

Затем выплавленные сплавы переплавляли в вакуумной установке для высокоградиентной направленной кристаллизации и получали заготовки с монокристаллической структурой, главная ось симметрии которых совпадала с кристаллографическим направлением роста [001], в виде отливок (диаметр 16 мм, длина 185 мм). Из полученных монокристаллических отливок изготавливали образцы для механических испытаний на растяжение и длительную прочность, а также образцы для испытаний на жаростойкость.

Механические свойства предлагаемого сплава с различным соотношением компонентов и сплава-прототипа определяли на стандартных образцах с КГО [001] при соотношении l/d=5 по ГОСТ 1497, ГОСТ 9651, ГОСТ 10145. Критерием являются средние значения из 10 образцов на точку с доверительной вероятностью 0,8.

Испытания на жаростойкость предлагаемого сплава с различным соотношением компонентов и сплава-прототипа проводили в соответствии с ГОСТ 6130.

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

Из таблицы 2 видно, что свойства предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Al выше, чем свойства сплава-прототипа: время до разрушения при температуре 1200°C при напряжении $${\sigma }^{1200}=45\text{ МПа}\left({\tau }_{\text{р}}^{\text{1200}}\right)$$ - на 30-55%, предел прочности ( $${\sigma }_{в}^{20}$$ ) - на 2-5%, предел прочности ( $${\sigma }_{в}^{1200}$$ ) - на 3-6%, жаростойкость по привесу за 100 часов при температуре 1200°C - на 75-90%.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным жаропрочным сплавам на основе интерметаллида Ni₃Al, предназначенным для изготовления методом направленной кристаллизации и монокристаллического литья деталей горячего тракта газотурбинных двигателей авиационной промышленности. Сплав на основе интерметаллида Ni₃Al содержит, мас. %: алюминий 8,2-8,7; хром 2,5-6,0; молибден 2,8-4,2; вольфрам 2,8-4,5; титан 0,01-1,2; тантал 0,5-5,5; рений 0,01-1,4; кобальт 0,01-5,5; углерод 0,015-0,08; лантан 0,015-0,4; гафний 0,01-0,6; цирконий 0,01-0,08; иттрий 0,015-0,15; эрбий, неодим и празеодим при их суммарном содержании 0,1-0,3; никель - остальное. Повышается надежность изделий, увеличивается ресурс их работы за счет повышения жаропрочности, кратковременной прочности ( $${\sigma }_{в}^{20}$$ ) и предела текучести ( $${\sigma }_{\mathrm{0,2}}^{20}$$ ) при комнатной температуре для КГО [001] сплава. 2 н.п. ф-лы, 2 табл., 8 пр.

1. Сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, содержащий алюминий, хром, молибден, вольфрам, титан, тантал, рений, кобальт, углерод, лантан, гафний, цирконий, иттрий, никель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит неодим, эрбий и празеодим при следующем соотношении компонентов, в мас. %:
Алюминий 8,2-8,7 Хром 2,5-6,0 Молибден 2,8-4,2 Вольфрам 2,8-4,5 Титан 0,01-1,2 Тантал 0,5-5,5 Рений 0,01-1,4 Кобальт 0,01-5,5 Углерод 0,015-0,08 Лантан 0,015-0,4 Гафний 0,01-0,6 Цирконий 0,01-0,08 Иттрий 0,015-0,15 Эрбий, неодим и празеодим при их суммарном содержании 0,1-0,3 Никель остальное

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