Сплав на основе интерметаллида NiAl и изделие, выполненное из него Российский патент 2023 года по МПК C22C19/05 

Изобретение относится к области металлургии, в частности, к литейным сплавам на основе интерметаллида Ni₃Al и может быть использовано для изготовления штампов и другого инструмента, применяемого при деформации сплавов методом изотермической штамповки.

Известен жаростойкий сплав на основе Ni-Al (US 11060169 В2, С22С 19/05, опубл. 13.07.2021) для передающих валков печи следующего химического состава, мас. %:

Zr 0,08-0,15 Mo 2,5-3,0 Al 7,5-8,5 Cr 7,5-8,5 В ≤ 0,01 С ≤ 0,05 Si ≤ 0,1 Fe ≤ 0,3 S ≤ 0,005 Mn ≤ 0,1 P ≤ 0,01 Cu ≤ 0,3 Ni ост.

Недостатком этого сплава является ограниченная по количеству циклов стойкость инструмента при высокотемпературных операциях.

Известен штамповый сплав на основе никеля (RU 2235797 C1, С22С 19/05, опубл. 10.09.2004) следующего химического состава, мас. %:

С 0,10-0,12 Cr 13,0-15,0 Al 3,0-6,0 Mo 4,5-6,5 Ni 72,5-79,5

Недостатком этого сплава являются ограничения по рабочей температуре (800-900°С) и, соответственно, ограничения по номенклатуре изготовленных из него изделий.

Известен штамповый сплав на основе никеля (RU 2235797 C1, С22С 19/05, опубл. 10.09.2004) следующего химического состава, мас. %:

С 0,10-0,12 Cr 13,0-15,0 А1 3,0-6,0 Мо 4,5-6,5 Ni 72,5-79,5

Недостатком этого сплава являются ограничения по рабочей температуре (800-900°С) и, соответственно, ограничения по номенклатуре изготовленных из него изделий.

Известен сплав на основе интерметаллида Ni₃Al (RU 2088686 C1, С22С 19/05, опубл. 27.08.1997) для изготовления штампов следующего химического состава, мас. %:

Al 8,0-9,0 Cr 5,0-6,8 W 2,7-4,0 Мо 3,0-4,3 Ti 1,3-2,2 С 0,13-0,18 Sn 0,03-0,08 Ni остальное

Недостатком этого сплава являются невысокая циклическая ползучесть при средних температурах 700-800°С, что ограничивает срок службы штампа.

Наиболее близким аналогом является высокожаропрочный литой сплав на основе интерметаллида Ni₃Al (RU 2629413 C1, С22С 19/05, опубл. 29.08.2017) следующего химического состава, мас. %:

Al 8,2-8,8 Cr 4,5-5,5 W 4,1-4,6 Мо 4,5-5,5 Ti 0,8-1,2 С 0,12-0,18 Со 3,5-4,5 La и/или Sc и/или Y 0,015-0,3 Ni остальное

Недостатком этого сплава являются недостаточная длительная прочность в диапазоне температур 1000÷1200°С и ограниченное число циклов нагружения до появления остаточной деформации 1%.

Технической задачей и техническим результатом заявленного изобретения является разработка литейного жаропрочного сплава на основе интерметаллида Ni₃Al, обладающего повышенными характеристиками длительной прочности в диапазоне температур 1000÷1200°С и повышенной стойкостью штампа по количеству циклов нагружения до появления остаточной деформации 1%.

Для достижения поставленного технического результата предложен литейный жаропрочный сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, содержащий алюминий, хром, вольфрам, молибден, титан, углерод, лантан, причем он дополнительно содержит кальций при следующем соотношении компонентов, мас. %:

алюминий 8,3-8,8 хром 5,7-6,5 вольфрам 3,5-4,1 молибден 3,5-4,1 титан 1,4-2,0 углерод 0,13-0,18 лантан 0,005- 0,05 кальций 0,001-0,01 никель и примеси остальное

Предпочтительно, заявленный литейный жаропрочный сплав на основе интерметаллида Ni₃Аl имеет следующий фазовый состав, %:

γ'-фаза 79÷84 γ-фаза 15÷19

карбидная фаза

Предпочтительно, заявленный литейный жаропрочный сплав на основе интерметаллида Ni₃Аl в качестве примесей содержит, по меньшей мере, один из следующих элементов, мас. %: серу ≤0,005, фосфор ≤0,015, железо ≤0,5, кремний ≤0,4, свинец ≤0,001, висмут ≤0,0005, олово ≤0,003, сурьму ≤0,003.

Также предложено изделие, выполненное из заявленного сплава.

Предлагаемый литейный жаропрочный сплав представляет собой легированное интерметаллидное соединения с гетерофазной структурой, состоящей из упорядоченного твердого раствора на основе Ni₃Al и разупорядоченного твердого раствора на основе никеля в соотношении (79÷84/15÷19) мас. %. При легировании соединения титаном, последний будет замещать в гранецентрированной решетке позиции алюминия; хром, вольфрам и молибден замещают как позиции никеля, так и алюминия, причем, в первую очередь происходит легирование твердого раствора на основе никеля, а затем - твердого раствора соединения Ni₃Al. Титан, хром, вольфрам и молибден образуют карбидную фазу типа МеС и Me₆C в количестве 1,0÷1,5 мас. %.

При содержании алюминия меньше 8,3 мас. % будет повышаться содержание разупорядоченного твердого раствора на основе никеля, снижаться температура плавления сплава и, соответственно, его рабочие температуры. При введении в сплав алюминия больше 8,8 мас. % будет повышаться содержание соединения Ni₃Al и, возможно выделение β-фазы (соединение NiAl), что приведет к охрупчиванию сплава.

При содержании хрома менее 5,7 мас. % будет снижаться уровень жаростойкости сплава при температурах 1000÷1200°С, что соответственно, повлечет за собой и снижение длительной прочности, содержание хрома более 6,5 мас. % повлечет за собой образование карбидов Ме₂₃С₆ на основе Cr (40-45%) игольчатой формы, которые могут являться концентраторами напряжений и снижать стойкость штампа по количеству циклов нагружения до появления остаточной деформации 1%.

Содержание вольфрама и молибдена в заявленных пределах 3,5 - 4,1 мас. % упрочняют в необходимой степени как твердый раствор на основе никеля, так и твердый раствор на основе Ni₃Al, способствуя повышению длительной прочности при температурах 1000÷1200°С.

При содержании титана менее 1,4 мас. % будет меньше образовываться стабильных при высоких температурах монокарбидов МеС, что может привести к снижению стойкости штампа, легирование титаном в количестве больше 2,0 мас. % приводит к снижению технологичности сплава.

При введении в сплав углерода менее 0,13 мас. % выделяющееся по границам зерен количество карбидной фазы недостаточно для их упрочнения, что будет неблагоприятно влиять на длительную прочность при температурах 1000÷1200°С, а превышение содержания углерода более 0,18 мас. % способствует образованию карбидов Ме₂₃С₆ игольчатой формы, что снижает стойкость штампа.

Содержание лантана с большим атомным радиусом в количестве 0,005-0,05% масс, при заявленных пределах легирования основными элементами способствует образованию оксидной пленки, плотно прилегающей к основному сплаву и сохраняющей свою сплошность до 1200°С, что положительно сказывается на жаростойкости и, соответственно, длительной прочности сплава. Наноразмерные частицы интерметаллидного соединения Ni₅La выделяются на межфазных границах и границах зерен, препятствуя продвижению дислокаций и развитию трещин, что благоприятно отражается на стойкости штампа по количеству циклов нагружения до появления остаточной деформации 1%. Кальций в заявленных количествах 0,001 - 0,01 мас. % вводится для рафинирования расплава, снижения содержание газов, в первую очередь, кислорода. Отсутствие кобальта в заявляемом литейном жаропрочном сплаве на основе интерметаллида Ni₃Al, в отличие от прототипа, приводит к росту энергии активации дислокационных процессов и снижению числа действующих систем скольжения, что повысит стойкость штампа.

Примеры осуществления изобретения

Выплавку литейного жаропрочного сплава на основе интерметаллида Ni₃Al трех различных составов (Таблица 1) проводили на чистых шихтовых материалах вакуумным индукционным методом в тиглях с основной футеровкой. После расплавления шихты при температуре 1550-1570°С, состоящей из никеля, хрома, вольфрама и молибдена, вводили углерод. Затем производили последовательно присадку титана и алюминия 3-4 порциями при температуре 1450-1470°С, после неоднократного перемешивания проводили высокотемпературную обработку расплава при температуре 1620-1640°С в течение 2-3 мин., затем снижали температуру до 1550-1570°С и поочередно кальцием и лантаном в виде лигатур никель-кальций и никель-лантан проводили рафинирование. Разливку металла проводили в кокили диаметром 90 мм. Стружку, взятую от литых прутковых (шихтовых) заготовок трех составов, передали на проведение химического анализа. Содержание основных легирующих элементов, газов и примесей: сера, фосфор, железо, кремний, свинец, висмут, олово, сурьма определяли в соответствии с МИ 1.2.037-2011, МИ 1.2.038-2011, ГОСТ 17745-90, ГОСТ 24018.7-91, МИ 1.2.036-2011, МИ 1.2.052-2013, МИ 1.2.053-2013, МИ 1.2.054-2013. Прутковые заготовки проточили на глубину 2÷3 мм для снятия слоя, контактирующего с чугунным кокилем, отрезали мерную заготовку весом 5,5 кг и провели переплав вакуумным индукционным методом с заливкой в керамические формы.

Свойства композиций предлагаемого сплава и сплава-прототипа приведены в таблице 2. Все свойства измеряли на 3-х образцах с доверительной вероятностью 0,8.

Из таблицы 2 видно, что свойства предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Al выше, чем свойства сплава-прототипа: длительная прочность по времени до разрушения на базе 100 ч при температуре 1000°С и напряжении 95 МПа - на 28,1-59,6%; при температуре 1100°С и напряжении 55 МПа - на 36,3-50,5%; при температуре 1200°С и напряжении 23 МПа - на 44,6-61,4%; длительная прочность по времени до разрушения на базе 500 ч при температуре 1000°С и напряжении 60 МПа - на 33,6-38,06%; при температуре 1100°С и напряжении 40 МПа - на 32,6-34,2%; при температуре 1200°С и напряжении 23 МПа - на 58,4-60,2%; по количеству циклов нагружения до появления остаточной деформации 1% - при температуре 1000°С - на 43,2-47,7%; при температуре 1100°С - на 21,4-42,8%; при температуре 1200°С - на 60,0-80,0%.

Использование предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Al для изготовления штампов и другого инструмента, применяемого при деформации сплавов методом изотермической штамповки, увеличивает ресурс их работы, коэффициент использования металла за счет точности штамповки полуфабрикатов и снижает трудоемкость за счет уменьшения количества переходов.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к литейным сплавам на основе интерметаллида N₃Al, и может быть использовано для изготовления штампов и другого инструмента, применяемого при деформации сплавов методом изотермической штамповки. Литейный жаропрочный сплав на основе интерметаллида Ni₃Al содержит, мас.%: алюминий 8,3-8,8, хром 5,7-6,5, вольфрам 3,5-4,1, молибден 3,5-4,1, титан 1,4-2,0, углерод 0,13-0,18, лантан 0,005-0,05, кальций 0,001-0,01, никель и примеси – остальное. При этом сплав имеет следующий фазовый состав, %: γ'-фаза 79,5-84, γ-фаза 15-19, карбидная фаза 1,0-1,5. Сплав характеризуется повышенными характеристиками длительной прочности в диапазоне температур 100-1200°С и повышенной стойкостью штампа по количеству циклов нагружения до появления остаточной деформации 1%. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 табл., 3 пр.

1. Литейный жаропрочный сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, содержащий алюминий, хром, вольфрам, молибден, титан, углерод, лантан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

алюминий 8,3-8,8 хром 5,7-6,5 вольфрам 3,5-4,1 молибден 3,5-4,1 титан 1,4-2,0 углерод 0,13-0,18 лантан 0,005-0,05 кальций 0,001-0,01 никель и примеси остальное

2. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что он имеет следующий фазовый состав, %:

γ'-фаза 79,5-84 γ-фаза 15-19 карбидная фаза 1,0-1,5

3. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что он в качестве примесей содержит по меньшей мере один из следующих элементов, мас.%: серу ≤0,005, фосфор ≤0,015, железо ≤0,5, кремний ≤0,4, свинец ≤0,001, висмут ≤0,0005, олово ≤0,003, сурьму ≤0,003.

4. Изделие из литейного жаропрочного сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по любому из пп. 1-3.