ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ НИКЕЛЬ-АЛЮМИНИЙ-КОБАЛЬТ Российский патент 2016 года по МПК C22C19/05 C22C30/00 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным сплавам, предназначенным для деталей, работающих при температурах до 1000°С в газотурбинных двигателях, в частности дисков, роторов и других деталей малоразмерных газотурбинных двигателей, в том числе литых, получаемых методом направленной кристаллизации, горячей деформацией и методами порошковой металлургии.

Повышение технических характеристик газотурбинных двигателей (ГТД), в том числе малоразмерных, возможно за счет повышения рабочей температуры в турбине ГТД и снижения веса деталей горячего тракта двигателя. Разработка сплавов для дисков и др. деталей, обеспечивающих увеличение рабочей температуры и/или снижение веса, является одной из важнейших задач авиационного материаловедения. Применение сплавов с более высокими температурами эксплуатации и меньшим весом в конструкции двигателя позволяет повысить тягу, снизить расход топлива и вредные выбросы в атмосферу.

Известен суперсплав на основе никеля, содержащий, мас. %: алюминий - 3,0-4,0, бор - 0,02-0,04, углерод - 0,02-0,05, хром - 12,0-14,0, кобальт 19,0-22,0, молибден - 2,0-3,5, ниобий - больше 1,0-2,1, тантал - больше 1,3-2,1, титан -3,0-4,0, вольфрам - 4,1 до 5,0, цирконий - 0,03-0,06, никель - остальное (US 6974508 В1, 13.12.2005).

Известен жаропрочный порошковый сплав на основе никеля, содержащий, мас. %: углерод 0,02-0,10; хром 9,0-11,0; кобальт 14,0-16,0; вольфрам 5,2-6,8; молибден 3,0-3,9; титан 3,0-3,9; алюминий 3,2-4,5; ниобий 1,2-2,4; гафний 0,05-0,5; бор 0,005-0,05; цирконий 0,001-0,05; магний 0,001-0,05; марганец 0,001-0,5; кремний 0,001-0,5; железо 0,001-1,0; никель - остальное (RU 2294393 С1, 27.02.2007).

Недостатком описанных сплавов является их низкая рабочая температура (до 800°С). Данное ограничение связано с началом растворения упрочняющей γ′-фазы при температуре свыше 800°С и, как следствие, с падением прочностных характеристик.

Наиболее близким аналогом является жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий алюминий, кобальт или железо, а также не менее одного элемента из группы: титан, тантал, ниобий, молибден, хром, один или несколько элементов из группы: скандий, церий, лантан, магний, бор, при следующих соотношениях, мас. %: Со или Fe - 25-50%, Al - 10-17%, не менее одного элемента из группы: Мо - 3-10%, Cr - 3-20%, Ti - 3-10%, Nb - 1-6%, Та - 1-5%, не менее одного элемента из группы: Sc, Се, La, Mg, В - 0,01-0,1%, никель - остальное (RU 2070601 С1, 20.12.1996).

Недостатком сплава-прототипа является присутствие в структуре β-фазы, которая некогерентна по отношению ко второй фазовой составляющей сплава γ - твердому раствору, что является негативным фактором и приводит к разрушению сплава по межфазным границам под нагрузкой.

Технической задачей предложенного изобретения является разработка жаропрочного интерметаллидного сплава на основе системы никель-алюминий-кобальт с низкой плотностью и повышенными эксплуатационными характеристиками.

Техническим результатом предложенного изобретения является повышение рабочей температуры жаропрочного интерметаллидного сплава на основе системы никель-алюминий-кобальт до 1000°С со средним значением длительной прочности при 1000°С и на базе испытаний 100 часов (σ₁₀₀ ¹⁰⁰⁰) не менее 137 МПа, со значением предела прочности σ_в при 800°С не менее 560 МПа, со значением предела текучести σ_0,2 не менее 500 МПа при температуре испытаний 800°С и пониженной до 8 г/см³ плотностью.

Для достижения технического результата предложен сплав на основе системы никель-алюминий-кобальт, включающий никель, кобальт, алюминий, хром, титан, тантал, бор, магний, лантан, церий и скандий, при этом он дополнительно содержит вольфрам и углерод при следующем соотношении компонентов, мас. %:

никель 50,0 - 62,0 кобальт 18,0-28,0 алюминий 7,5-7,8 хром 1,8-4,8 титан 2,2-2,6 тантал 1,9-3,3 вольфрам 2,5-3,1 углерод 0,01-0,05 бор 0,005 - 0,03 магний 0,003 - 0,03 лантан 0,003 - 0,06 церий 0,001-0,02

Сплав может дополнительно содержать скандий в количестве до 0,05 мас. %.

Основу предложенного сплава составляет γ′-фаза на основе соединения (Ni,Co,Cr)3(Al,Ti,Ta,W) различной морфологии и γ - твердый раствор на основе никеля и кобальта, также в сплаве присутствуют карбиды типа МеС. Содержание кобальта в количестве 18-28 мас. % обеспечивает пластичность сплава, что позволяет получать из него заготовки методом деформации в изотермических условиях. Содержание алюминия в количестве 7,5-7,8 мас. % позволяет достичь более высокой жаростойкости сплава за счет образования на поверхности при высоких температурах защитной окисной пленки Al₂O₃. За счет введения углерода в металле формируется карбидная фаза, которая обеспечивает дополнительное упрочнение сплава.

Легирование сплава вольфрамом и танталом повышает стабильность и механические свойства сплава при высоких температурах. Тантал в основном входит в состав γ′-фазы и увеличивает ее стабильность при высоких температурах, вольфрам преимущественно распределяется в γ - твердом растворе и повышает его прочность. Предпочтительное суммарное содержание в сплаве вольфрама и тантала, при котором достигается наилучшая жаропрочность, составляет от 5,0 до 5,9 мас. %.

Сплав может дополнительно содержать скандий в количестве до 0,05 мас. %.

Примеры.

С целью практической реализации изобретения в лабораторных условиях выплавлены три плавки в вакуумно-индукционной печи. Химический состав представлен в таблице 1. Полученные слитки обточили, обрезали прибыльную часть и переплавили методом высокоградиентной кристаллизации в заготовки диаметром 15-16 мм и высотой 210-230 мм. Затем заготовки термообработали (закалка и двухступенчатое старение), после чего изготовили образцы для проведения испытаний.

Образцы испытывали на длительную прочность в соответствии с ГОСТ 10145, кратковременную прочность (предел прочности и предел текучести) по ГОСТ 1497, жаростойкость по ГОСТ 6130, плотность определяли методом гидростатического взвешивания по ГОСТ 20018. Свойства предлагаемого интерметаллидного сплава на основе Ni-Al-Co и сплава-прототипа приведены в таблице 2. Из представленных данных видно, что по пределу прочности и пределу текучести при 800°С предлагаемый интерметаллидный сплав на основе Ni-Al-Co превосходит сплав-прототип. Работоспособность сплава при 1000°С подтверждается значениями времени до разрушения (τ) при испытаниях на длительную прочность при Т_исп.=1000°С и нагрузке 137 МПа и высокой жаростойкостью при температурах до 1100°С.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным сплавам, предназначенным для деталей, работающих при температурах до 1000^oC в газотурбинных двигателях. Сплав на основе системы никель-алюминий-кобальт содержит, мас.%: никель 50,0-62,0, кобальт 18,0-28,0, алюминий 7,5-7,8, хром 1,8-4,8, титан 2,2-2,6, тантал 1,9-3,3, вольфрам 2,5-3,1, углерод 0,01-0,05, бор 0,005-0,03, магний 0,003-0,03, лантан 0,003-0,06, церий 0,001-0,02. Сплав характеризуется низкой плотностью и высокими эксплуатационными характеристиками. Повышается рабочая температура сплава до 1000°С со средним значением длительной прочности при 1000°С и на базе испытаний 100 часов (σ₁₀₀ ¹⁰⁰⁰) не менее 118 МПа, со значением предела прочности σ_в при 800°С не менее 560 МПа, со значением предела текучести σ_0,2 не менее 500 МПа при температуре испытаний 800°С и пониженной до 8 г/см³ плотностью. 2 з.п. ф-лы, 2 табл., 3 пр.

1. Сплав на основе системы никель-алюминий-кобальт, содержащий никель, кобальт, алюминий, хром, титан, тантал, бор, магний, лантан и церий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит вольфрам и углерод при следующем соотношении компонентов, мас.%:
никель 50,0-62,0 кобальт 18,0-28,0 алюминий 7,5-7,8 хром 1,8-4,8 титан 2,2-2,6 тантал 1,9-3,3 вольфрам 2,5-3,1 углерод 0,01-0,05 бор 0,005-0,03 магний 0,003-0,03 лантан 0,003-0,06 церий 0,001-0,02

2. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что суммарное содержание вольфрама и тантала составляет 5,0-5,9 мас.%.

3. Сплав по п. 1 или 2, отличающийся тем, что он дополнительно содержит скандий в количестве до 0,05 мас.%.