СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛИ ИЗ СУПЕРСПЛАВА НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ С СОДЕРЖАНИЕМ ГАФНИЯ Российский патент 2020 года по МПК C22C19/05 C23C10/28 

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу производства суперсплавов на основе никеля с содержанием гафния.

Уровень техники

В уровне техники уже известны суперсплавы на основе никеля.

Под «суперсплавами» подразумеваются сложные сплавы, обладающие при высокой температуре и большом давлении очень хорошей стойкостью к окислению, коррозии, текучести и циклическим, (в частности), механическим и химическим нагрузкам. Такие суперсплавы специально применяются в производстве деталей для авиационной промышленности, например, турбинных лопаток.

Суперсплавы могут упрочняться путём так называемой обработки на твёрдый раствор. Такая обработка заключается в нагреве сплава до соответствующей высокой температуры, лежащей ниже температуры эвтектического превращения, и в поддержании этой температуре в течение достаточно продолжительного времени для гомогенизации начальных концентраций компонентов и контроля за размером интерметаллических выделений. Это позволяет оптимизировать микроструктурные свойства материала.

Для большего повышения стойкости к окислению суперсплавов на основе никеля в них произвольно добавляют гафний. Однако присутствие гафния в суперсплаве осложняет полную или почти полную обработку эвтектик на твёрдый раствор и приводит к дефектам, выражающимся в пережоге.

Раскрытие сущности изобретения

Задачей изобретения являются устранение описанных выше, присущих уровню техники недостатков и создание способа производства суперсплава на основе никеля с содержанием гафния, который позволяет получить суперсплав, в котором сохраняется положительное влияние гафния на повышение стойкости к окислению и коррозии, но без недостатков, выражающихся в трудности обработки на твёрдый раствор.

Поэтому изобретение относится к способу изготовления детали из монокристаллического суперсплава на основе никеля с содержанием гафния.

Согласно изобретению данный способ включает в себя следующие последовательные этапы:

- приготовление монокристаллического, не легированного гафнием суперсплава на основе никеля,

- изготовление детали из суперсплава,

- непосредственное нанесение на эту деталь слоя гафния толщиной от 50 до 800 нм,

- диффузионная обработка гафнием для формирования слоя взаимодиффузии на поверхности упомянутой детали и для получения детали из монокристаллического суперсплава на основе никеля с содержанием гафния.

Благодаря таким признакам изобретения полученному суперсплаву присущи улучшенные механические свойства, обусловленные почти полной или улучшенной обработкой эвтектик на твёрдый раствор при сохранении хорошей стойкости к окислению и коррозии. Использование слоя из чистого гафния ещё больше повышает означенную стойкость к окислению.

В соответствии с другими предпочтительными и не ограничивающими признаками изобретения, взятыми раздельно или в сочетании:

- монокристаллический, не легированный гафнием суперсплав на основе никеля содержит в массовых процентах:

- 5,2% алюминия, 6,5% кобальта, 7,8% хрома, 2% молибдена, 7,9% тантала, 1,1% титана, 5,7% вольфрама, остальное – никель, или

- 5,6% алюминия, 9,6% кобальта, 6,5% хрома, 0,6% молибдена, 3% рения, 6,5% тантала, 1% титана, 6% вольфрама, остальное – никель, или

- 5,73% алюминия, 9,6% кобальта, 3,46% хрома, 0,6% молибдена, 4,9% рения, 8,3% тантала, 0,9% титана, 5,5% вольфрама, остальное – никель, или

5,7% алюминия, 3% кобальта, 2% хрома, 0,4% молибдена, 6% рения, 8% тантала, 0,2% титана, 5% вольфрама, 0,1% ниобия, остальное – никель, или

- 5,8% алюминия, 12,5% кобальта, 4,2% хрома, 1,4% молибдена, 5,4% рения, 7,2% тантала, 6% вольфрама, остальное – никель, или

6% алюминия, менее 0,2% кобальта, 4% хрома, 1% молибдена, 4% рений, 5% тантала, 0,5% титана, 5% вольфрама, 4% рутения, остальное – никель.

Осуществление изобретения

Способ согласно изобретению предназначен прежде всего для производства монокристаллического, не легированного гафнием суперсплава на основе никеля. Под выражением «не легированный гафнием» подразумевается его отсутствие.

Ниже в таблице 1 приведено несколько предпочтительных примеров на суперсплавы, пригодные к применению в способе согласно изобретению. Они обозначены буквами от А до F. Также могут применяться другие монокристаллические, не легированные гафнием суперсплавы на основе никеля.

Таблица 1. Примеры, иллюстрирующие монокристаллические суперсплавы на основе никеля без содержания гафния.

Легирующие элементы, масс.% Ni Al Co Cr Mo Re Ta Ti W Cb Ru A Остальное 5,2 6,5 7,8 2 0 7,9 1,1 5,7 B Остальное 5,6 9,6 6,5 0,6 3 6,5 1 6 C Остальное 5,73 9,6 3,46 0,6 4,87 8,28 0,86 5,5 D Остальное 5,7 3 2 0,4 6 8 0,2 5 0,1 E Остальное 5,8 12,5 4,2 1,4 5,4 7,2 0 6 F Остальное 6 < 0,2 4 1 4 5 0,5 5 4

Слово «остальное» означает применительно к каждому суперсплаву остаточное содержание в массовом проценте для достижения 100% с использованием разных других приведённых компонентов.

После этого формируют деталь требуемой формы из данного суперсплава, например, путём литья или дополнительного вида изготовления.

Затем полученную деталь подвергают предпочтительно обработке на твёрдый раствор, как об этом сказано выше во вступительной части.

Предпочтительно такая обработка состоит на первом этапе в нагрева до температуры около 1100°С в течение от нескольких минут до 4 часов, на втором этапе температуру поднимают до около 1200°С в течение от нескольких минут до 4 часов и наконец на третьем этапе температуру поднимают до около 1300°С в течение от нескольких минут до 4 часов.

После этого наносят на изготовленную таким образом деталь слой гафния, т.е. либо слой чистого гафния (100 атомных %), либо слой гафния с содержанием, по меньшей мере, 99,99 атомных %. Предпочтительно такой слой является нанокристаллическим или микрокристаллическим. Этот слой имеет предпочтительно толщину от 50 до 800 нм, особо предпочтительно от 50 до 300 нм.

Нанесение такого слоя гафния может проводиться физическим осаждением паров (PVD), предпочтительно катодным напылением. Это позволяет надёжно контролировать толщину покрытия.

Можно также указать на применение физического осаждения паров электронным пучком (EVPVD), испарения, абляции посредством пульсирующего лазерного луча или катодного напыления. Последний способ имеет то преимущество, что возможно формирование плотных плёнок, имеющих нанометрическую или микрометрическую толщину и обладающих сцеплением с предыдущим слоем, превосходящим сцепление, получаемое посредством других способов нанесения покрытия.

Нанесение покрытия физическим осаждением паров (PVD) проводится в камере с находящимися в ней деталью и одной или несколькими мишенями, соответствующими осаждаемому материалу (материалам), в данном случае гафнию. Путём использования разницы потенциалов между стенками реактора и мишенью (мишенями) образуют плазму, положительные виды которой притягиваются катодом (мишенью) и сталкиваются с ним(и). Атомы мишени(ей) распыляются и конденсируются на указанной детали.

Предпочтительно условиями нанесения покрытия являются следующие:

- нагрев во время нанесения покрытия: от 100 до 900°С,

- давление: от 0,1 до 1 Па.

- мощность, отнесённая к единице площади: от 2 до 15 Вт/см²,

- поляризация: от -500 до -150 В.

Бомбардировка ионами проводится в течение от 10 до 30 минут при -200 – 500 В.

Нанесение слоя гафния может производиться также посредством химического осаждения из паровой фазы (CVD).

Из способов химического осаждения из паровой фазы можно привести, например:

- химическое осаждение из паровой фазы с использованием плазмы (PECVD),

- химическое осаждение из паровой фазы при низком давлении (LPCVD),

- химическое осаждение из паровой фазы в сверхвысоком вакууме (UHVCVD),

- химическое осаждение из паровой фазы при атмосферном давлении (APCVD),

- химическое осаждение из паровой фазы атомных слоёв (ALCVD),

- химическое алитирование из паровой фазы (CVA).

Следовательно, упомянутая деталь подвергается диффузионной обработке гафнием таким образом, чтобы на поверхности этой детали образовался слой взаимодиффузии с присутствием в нём гафния.

Предпочтительно диффузионная обработка проводится путём помещения детали с покрытием из гафния внутрь камеры, создания в ней вакуума или образования внутри неё атмосферы в виде смеси из 95 об.% аргона и 5 об.% гелия, затем проводится описанная ниже термообработка.

Предпочтительно такая термообработка включает в себя этап повышения температуры до значения от 500 до 1200°С, этап поддержания этой температуры в течение от 1 до 4 часов и этап охлаждения, при котором температуру внутри камеры понижают до комнатной температуры.

Способ согласно изобретению характеризуется множеством преимуществ, которые приводятся ниже.

На первом этапе способа производство монокристаллического, не легированного гафнием суперсплава на основе никеля и его применение для изготовления детали не вызывают трудностей.

Напротив, в уровне техники (легированный гафнием суперсплав) изготовление детали, в частности, литьём, ведёт во время затвердевания к потерям гафния, которые различны в зависимости от геометрии детали или времени её затвердевания. Также эта деталь подвергается риску окисления (образования окиси гафния). При использовании способа согласно изобретению этого не происходит, поскольку на этой стадии гафний отсутствует.

На этапе обработки на твёрдый раствор, гомогенизация компонентов детали и повторная обработка суперсплава на твёрдый раствор являются оптимальными.

При химическом травлении, проводимом в рамках не разрушающего контроля деталей, отсутствует предпочтительное травление остаточных эвтектик.

Наконец последующее нанесение слоя гафния и его диффузия обеспечивают изготовление более прочной детали, обладающей повышенной механической прочностью благодаря почти полной или улучшенной обработке на твёрдый раствор эвтектик и лучшей стойкостью к окислению и коррозии.

Изобретение относится к металлургии, а именно к способу изготовления детали из монокристаллического суперсплава на основе никеля с содержанием гафния. Способ изготовления детали из монокристаллического суперсплава на основе никеля с содержанием гафния включает следующие последовательные этапы: изготовление монокристаллического, не легированного гафнием суперсплава на основе никеля, изготовление детали из указанного суперсплава, непосредственное нанесение на указанную деталь слоя гафния толщиной от 50 до 800 нм, диффузионную обработку гафнием для формирования слоя взаимодиффузии на поверхности указанной детали и получения детали из монокристаллического суперсплава на основе никеля с содержанием гафния. Обеспечивается повышение стойкости к окислению и коррозии. 11 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ изготовления детали из монокристаллического суперсплава на основе никеля с содержанием гафния, отличающийся тем, что он включает в себя следующие последовательные этапы:

изготовление монокристаллического, не легированного гафнием суперсплава на основе никеля,

изготовление детали из указанного суперсплава,

непосредственное нанесение на указанную деталь слоя гафния толщиной от 50 до 800 нм,

диффузионную обработку гафнием для формирования слоя взаимодиффузии на поверхности указанной детали и получения детали из монокристаллического суперсплава на основе никеля с содержанием гафния.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что слой гафния наносят посредством физического осаждения паров.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что слой гафния наносят посредством катодного распыления.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что слой гафния наносят посредством химического осаждения из паровой фазы, предпочтительно посредством процесса, выбранного из: химического осаждения из паровой фазы при низком давлении, химического алитирования из паровой фазы, химического осаждение из паровой фазы в сверхвысоком вакууме, химического осаждения из паровой фазы с применением плазмы, химического осаждения из паровой фазы при атмосферном давлении, химического осаждения из паровой фазы атомных слоёв.

5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что нанесенный на деталь слой гафния имеет толщину от 50 до 300 нм.

6. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что диффузионную обработку гафнием проводят в условиях вакуума или в атмосфере из 95 об.% аргона и 5 об.% гелия, при этом температуру детали доводят до значения 500 – 1200°С, поддерживают эту температуру в течение 1 – 4 ч и охлаждают деталь до комнатной температуры.

7. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что монокристаллический, не легированный гафнием суперсплав на основе никеля содержит, в мас.%: 5,2 алюминия, 6,5 кобальта, 7,8 хрома, 2 молибдена, 7,9 тантала, 1,1 титана, 5,7 вольфрама, остальное – никель.

8. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что монокристаллический, не легированный гафнием суперсплав на основе никеля содержит, в мас.%: 5,6 алюминия, 9,6 кобальта, 6,5 хрома, 0,6 молибдена, 3 рения, 6,5 тантала, 1 титана, 6 вольфрама, остальное – никель.

9. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что монокристаллический, не легированный гафнием суперсплав на основе никеля содержит, в мас.%: 5,73 алюминия, 9,6 кобальта, 3,46 хрома, 0,6 молибдена, 4,9 рения, 8,3 тантала, 0,9 титана, 5,5 вольфрама, остальное – никель.

10. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что монокристаллический, не легированный гафнием суперсплав на основе никеля содержит, в мас.%: 5,7 алюминия, 3 кобальта, 2 хрома, 0,4 молибдена, 6 рения, 8 тантала, 0,2 титана, 5 вольфрама, 0,1 ниобия, остальное – никель.

11. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что монокристаллический, не легированный гафнием суперсплав на основе никеля содержит, в мас.%: 5,8 алюминия, 12,5 кобальта, 4,2 хрома, 1,4 молибдена, 5,4 рения, 7,2 тантала, 6 вольфрама, остальное – никель.

12. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что монокристаллический, не легированный гафнием суперсплав на основе никеля содержит, в мас.%: 6 алюминия, менее 0,2 кобальта, 4 хрома, 1 молибдена, 4 рения, 5 тантала, 0,5 титана, 5 вольфрама, 4 рутения, остальное – никель.