ЛИТЕЙНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДА Ni3Al И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО Российский патент 2017 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 деталей газотурбинных двигателей авиационной промышленности, например сопловых и рабочих лопаток, блоков сопловых лопаток, сегментов камеры сгорания, створок и т.д.

Для нового поколения авиационных и ракетных двигателей необходимы материалы, которые можно эксплуатировать при высоких температурах в агрессивных средах. Разработка таких материалов в современном авиастроении, особенно материалов на основе интерметаллидов, обладающих высокой жаростойкостью, термической стабильностью и надежностью эксплуатации при высоких температурах, является актуальной проблемой.

Известен сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, имеющий следующий химический состав, мас. %:

Al 11,5 Mo 1,0 Со 11,5 Hf 1,7 Zr 0,05 В 0,1 Nb 0,5 Ni остальное

(Патент США №4613368, B22F 3/00, опубл. 23.09.1986).

Недостатком этого сплава является его неработоспособность при температурах выше 800°С.

Известен сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, имеющий следующий химический состав, мас. %:

Al 8,2-8,6 Сr 4,8-5,2 Mo 2,5-3,0 W 2,0-2,4 Ti 1,2-1,5 Та 1,2-1,6 Re 0,05-1,2 С 0,001-0,02 La 0,015-0,3 Zr 0,05-0,5 Ni остальное

(РФ №2308499 C1, C22C 9/03, опубл. 20.10.2007).

Сплав имеет хорошую кратковременную прочность, но недостаточно высокую жаропрочность при 1200°С на базе 100 часов.

Известен сплав на основе интерметаллида Ni₃Аl, содержащий следующие компоненты, мас. %:

Аl 7,7-8,7 Сr 5,0-6,0 Мо 4,5-5,5 W 2,5-3,5 Ti 0,3-0,8 Re 1,2-1,8 Со 4,0-6,0 С 0,001-0,02 La 0,002-0,2 Zr 0,05-0,5 Ni остальное

(РФ №2256716 C1, С22С 19/05, опубл. 20.07.2005).

Сплав обладает повышенным пределом ползучести в интервале температур 900-1000°С и повышенной малоцикловой усталостью при 900°С, но имеет недостаточно высокую кратковременную прочность и предел текучести при комнатной температуре.

Известен сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, содержащий, маc. %:

Аl 7,8-9,0 Сr 5,0-6,5 Мо 3,0-4,0 W 2,7-4,0 Ti 0,8-1,2 С 0,001-0,005 Zr 0,05-0,5 Sn 0,03-0,05 Ni остальное

(РФ №2198233 C1, С22С 19/05, опубл. 10.02.2003).

Сплав указанного состава в интервале температур 900-1100°С имеет хорошую жаропрочность, а при 1200°С на базе 100 часов для кристаллографической ориентации (КГО) [001] недостаточную.

Известен сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, имеющий следующий состав, мас. %:

Аl 7,7-8,7 Сr 5,0-6,0 Мо 4,5-5,5 W 2,5-3,5 Ti 0,3-0,8 Re 1,2-1,8 Со 3,5-4,5 С 0,005-0,01 La 0,015-0,025 Ni остальное

(РФ №2221890 C1, С22С 19/03, опубл. 20.01.2004).

Сплав имеет недостаточно высокую жаропрочность при 1200°С на базе испытания 100 часов, обладает недостаточным пределом кратковременной прочности и пределом текучести при комнатной температуре для КГО [001].

Наиболее близким сплавом к предложенному по изобретению является сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, содержащий, мас. %:

Аl 8,2-8,7 Сr 2,5-6,0 Мо 2,8-4,2 W 2,8-4,5 Ti 0,01-1,2 Та 0,5-5,5 Re 0,01-1,4 Со 0,01-5,5 С 0,015-0,08 La 0,015-0,4 Hf 0,01-0,6 Zr 0,01-0,08 Y 0,015-0,15 Ni остальное

(РФ №2434068 C1, C22C 19/05, опубл. 20.11.2011).

Известный сплав обладает повышенной жаропрочностью при температуре 1200°С на базе 100 часов, а также хорошей кратковременной прочностью и пределом текучести при комнатной температуре для КГО [001]. Недостатком этого сплава является недостаточно высокая коррозионная стойкость в сульфидно-оксидной среде при температурах до 850°С и недостаточная малоцикловая стойкость на базе 1×10⁴ циклов при температурах вплоть до 750°С монокристаллов с кристаллографической ориентацией (КГО) [001].

Изделия из этого сплава, например бандажные полки ГТД, створки регулируемого сопла, имеют низкий ресурс работы из-за указанных недостатков сплава.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в разработке сплава на основе интерметаллида Ni₃Al с монокристаллической структурой с КГО [001] и изделия, выполненного из него, обладающих высокой коррозионной стойкостью в сульфидно-оксидной среде при температурах до 850°С, высокой долговечностью в условиях малоцикловой усталости при рабочих температурах до 750°С, работоспособного до температуры 1250°С с кратковременными забросами до 1300°С.

Техническим результатом изобретения является повышение показателей по малоцикловой усталости на базе 1×10⁴ цикла при температурах до 750°С, коррозионной стойкости в сульфидно-оксидной среде при температурах до 850°С для КГО [001], кратковременной прочности при 1250 и 1300°С, что обеспечивает повышение ресурса работы изделий, выполненных из этого сплава, и делает его работоспособным до температуры 1250°С с кратковременными забросами до 1300°С.

Технический результат достигается тем, что литой сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, содержащий алюминий, хром, молибден, вольфрам, титан, тантал, рений, кобальт, лантан, гафний и никель, дополнительно содержит редкоземельный элемент празеодим при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Аl 8,1-8,8 Сr 3,5-4,5 Мо 5,0-6,5 W 2,7-3,5 Ti 0,5-1,5 Та 2,0-5,0 Re 1,5-2,0 Со 5,5-7,0 С 0,015-0,08 La 0,015-0,15 Hf 0,3-0,6 Pr 0,01-0,2 Ni и неизбежные примеси остальное

При этом в качестве неизбежных примесей сплав может содержать: железо, ниобий, марганец не более 0,3 мас. % каждой; серу и фосфор не более 0,005 мас. % каждой; олово и сурьму не более 0,003 мас. % каждой; свинец не более 0,001 мас. %; висмут не более 0,0005 мас. %.

Технический результат достигается и в изделии, выполненном из заявленного сплава.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Введение в сплав 0,01-0,2 мас. % празеодима совместно с лантаном обеспечивает формирование в сульфидно-оксидной среде при температурах до 850°С плотной пленки сложного состава, состоящей из изоморфных тугоплавких оксидов с высокой температурой плавления, (La,Pr)₂O₃ (Т_пл=2210-2296°С), и сульфидов (La,Pr)S (Т_пл=2175-2230°С), что обеспечивает уплотнение защитной пленки на поверхности сплава и улучшает ее адгезию с основой, в результате чего создаются условия для повышения коррозионной стойкости в сульфидно-оксидной среде при температурах до 850°С включительно.

Увеличение по сравнению с известным сплавом содержания кобальта и рения позволяет обеспечить одновременное повышение характеристик прочности, пластичности и вязкости разрушения за счет улучшения прочности когерентных межфазных слоев γ'/γ и упрочнения γ' и γ фаз. Такая комбинация элементов в сплаве обеспечивает высокую долговечность сплава в условиях малоцикловой усталости на базе 1×10⁴ цикла при рабочих температурах до 750°С включительно и работоспособность до температуры 1250°С с кратковременными забросами до 1300°С.

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 D=50 мм отбирали стружку на химический анализ. Результаты химанализа сплавов приведены в таблице 1. 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 2 кг для последующего переплава.

Образцы D=16 мм и длиной 150 мм получали методом направленной кристаллизации в вакууме 1,5-2,5×10^-3 мм рт.ст. Поверхность образцов и деталей контролировалась путем выявления микроструктуры в смеси соляной кислоты и перекиси водорода. При наличии одного макрозерна вдоль оси образца отливка считается монокристалической, при наличии двух и более зерен без выклинивания - столбчатой структурой.

Свойства 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 существенно выше, чем известного. Малоцикловая на базе 1×10⁴ цикла выносливость предполагаемого сплава при 750°С выше на 12-15%, чем у сплава-прототипа. Скорость сульфидно-оксидной коррозии при 850°С предполагаемого сплава ниже в 2 раза, чем у сплава-прототипа. Предел кратковременной прочности при 1250°С и при 1300°С нельзя сравнить со свойствами сплава-прототипа, поскольку при этих температурах прочностные характеристики сплава-прототипа настолько низки, что даже не оцениваются.

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

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным сплавам на основе интерметаллида Ni₃Al, предназначенным для изготовления методом направленной кристаллизации и монокристаллического литья деталей газотурбинных двигателей авиационной промышленности, например сопловых и рабочих лопаток, блоков сопловых лопаток, сегментов камеры сгорания, створок. Сплав на основе интерметаллида Ni₃Al содержит, мас. %: Al 8,1-8,8, Сr 3,5-4,5, Mo 5,0-6,5, W 2,7-3,5, Ti 0,5-1,5, Та 2,0-5,0, Re 1,0-2,0, Со 4,0-7,0, С 0,015-0,08, La 0,015-0,15, Hf 0,3-0,6, Pr 0,01-0,2, Ni и неизбежные примеси - остальное. Сплав характеризуется повышенной стойкостью к малоцикловой усталости при осевой нагрузке на базе 1×10⁴ циклов на гладких образцах (σ_0,1) при 750°С, повышенной стойкостью к сульфидно-оксидной коррозии при 850°С, а также высоким ресурсом работы до температуры 1250°С и кратковременно до 1300°С. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 3 пр.

1. Литой сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, содержащий алюминий, хром, молибден, вольфрам, титан, тантал, рений, кобальт, углерод, лантан, гафний и никель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит празеодим при следующем соотношении компонентов, в мас. %:

Al 8,1-8,8 Cr 3,5-4,5 Mo 5,0-6,5 W 2,7-3,5 Ti 0,5-1,5 Ta 2,0-5,0 Re 1,5-2,0 Co 4,0-7,0 C 0,015-0,08 La 0,015-0,15 Hf 0,3-0,6 Pr 0,01-0,2 никель и неизбежные примеси остальное.

2. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что в качестве неизбежных примесей он содержит железо, ниобий, марганец не более 0,3 мас. % каждого, серу и фосфор не более 0,005 мас. % каждого, олово и сурьму не более 0,003 мас. % каждого, свинец не более 0,001 мас. %, висмут не более 0,0005 мас. %.

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