КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ Советский патент 1998 года по МПК B32B15/01 C22C19/03 C22C27/00 

Изобретение относится к металлургии, в частности к композиционным материалам, используемым для изготовления деталей газовых турбин и других деталей, предназначенных для длительной работы при высоких температурах и больших нагрузках.

Известен композиционный материал на основе нихрома, армированный молибденовым волокном с промежуточным покрытием из нитрида титана [1].

Недостатком известного композиционного материала является низкая жаропрочность (сточасовая прочность при 1100^oC равна 6,6 кг/мм²).

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является композиционный материал, состоящий из оболочки (никелевого сплава, содержащего углерод, хром, кобальт, молибден, вольфрам, тантал, ниобий, алюминий, титан, бор) и сердцевины из молибдена, дисперсно-упрочненного окислами иттрия, кальция, лантана, бериллия, тория, церия, алюминия, титана, циркония при общем содержании до 10 мас.%. Соотношение толщины оболочки и сердцевины может меняться от 1:20 до 2:1 [2].

Недостатком композиционного материала является низкая жаропрочность. Детали турбин, изготовленные из этого материала, способны работать только до температур 1000 - 1500^oC, при более высоких температурах происходит активированная никелем рекристаллизация молибденовой сердцевины и, следовательно, ее охрупчивание, образование на поверхности раздела хрупких интерметаллидных соединений молибден-никель и растворение молибденовой сердцевины в никелевом сплаве. Все эти факторы приводят к резкому понижению прочности композиционного материала. Кроме того, вследствие резкого различия коэффициентов линейного расширения при каждом изменении температуры (включении и выключении турбины) на границе раздела составляющих появляются термические напряжения, приводящие к образованию и развитию трещин.

Цель изобретения - повышение жаропрочности композиционного материала.

Указанная цель достигается тем, что в композиционном материале, содержащем сплав на основе никеля с алюминием и бором и дисперсно-упроченный окислами молибден, согласно изобретению никелевый сплав дополнительно содержит дисперсно-упрочняющие окислы металлов, выбранные из группы: иттрий, лантан, алюминий, цирконий, гафний, при следующем соотношении компонентов композиционного материала, мас.%:
Дисперсно-упрочненный окислами никелевый сплав с алюминием и бором - 7 - 62
Дисперсно-упрочненный окислами молибден - Остальное
причем размер частиц окислов в молибдене 0,003 - 0,03 мкм, в никелевом сплаве 0,005 - 0,30 мкм.

При этом дисперсно-упрочненный окислами никелевый сплав имеет следующий состав, мас.%:
Окисел металла, выбранного из группы: иттрий, лантан, алюминий, цирконий, гафний - 1 - 3
Алюминий - 12 - 15
Бор - 0,005 - 0,2
Никель - Остальное
Материал получают следующим образом. Собирают пакет из чередующихся слоев фольг дисперсно-упрочненного окислами молибдена (38 - 93%) и дисперсно-упрочненного окислами сплава никеля с алюминием и бором (62 - 7%). Пакет нагревают в инертной атмосфере до 1200^oC, прикладывают давление, равное 35 МПа, и выдерживают под этим давлением в течение 30 мин. В результате получают слоистый композиционный материал с прочным соединением слоев, которое обеспечивается регулируемой взаимной диффузией составляющих. В результате диффузии в молибдене растворяется менее 1 ат.% никеля, а диффузия молибдена в никель протекает на глубину нескольких микрометров (2 - 4 мкм), причем содержание молибдена в этом слое ниже предела его растворимости в никеле.

В табл. 1 приведен сравнительный анализ свойств предлагаемого и известного материалов.

При содержании в композиции менее 38% дисперсно-упрочненного окислами молибдена прочность композиции мала.

Предлагаемый материал по сравнению с известным обладает более высокой жаропрочностью, поскольку молибден в никелевых сплавах данного состава практически нерастворим, а никель не вызывает активированной рекристаллизации молибдена.

В табл. 2 показано влияние размера частиц окиси гафния на жаропрочность предложенного композиционного материала.

Из табл. 2 следует, что введение в молибден окисных частиц размером 0,003 - 0,03 мкм, а в никелевую матрицу - размером 0,05 - 0,3 мкм приводит к повышению жаростойкости материала. Выход за указанные пределы размеров окисных частиц не позволяет получить композиционный материал с максимально высокими свойствами.

В табл. 3 приведены данные по влиянию на свойства композиционного материала вариации состава никелевого сплава при заданном его содержании в композиции.

Из табл. 3 видно, что при изменении состава никелевого сплава свойства композиционного материала практически не меняются и остаются во всех случаях высокими, а табл. 1 убедительно показывает преимущество предлагаемого композиционного материала перед известными.

Таким образом, использование предлагаемого материала позволяет увеличить нагрузку на детали и, следовательно, улучшить технические характеристики и эффективность газотурбинных двигателей.

1. Композиционный материал, содержащий сплав на основе никеля с алюминием и бором и дисперсно-упрочненный окислами молибден, отличающийся тем, что, с целью повышения жаропрочности, никелевый сплав дополнительно содержит дисперсно-упрочняющие окислы металлов, выбранные из группы: иттрий, лантан, алюминий, цирконий, гафний, при следующем соотношении компонентов композиционного материала, мас.%:
Дисперсно-упрочненный окислами никелевый сплав с алюминием и бором - 7 - 62
Дисперсно-упрочненный окислами молибден - Остальное
причем размер частиц окислов, мкм
в молибдене - 0,003 - 0,03
в никелевом сплаве - 0,005 - 0,30
2. Материал по п.1, отличающийся тем, что в нем дисперсно-упрочненный окислами никелевый сплав имеет следующий состав, мас.%:
Окисел металла, выбранного из группы: иттрий, лантан, алюминий, цирконий, гафний - 1 - 3
Алюминий - 12 - 15
Бор - 0,005 - 0,2
Никель - Остальное

1. Композиционный материал, содержащий сплав на основе никеля с алюминием и бором и дисперсно-упрочненный окислами молибден, отличающийся тем, что, с целью повышения жаропрочности, никелевый сплав дополнительно содержит дисперсно-упрочняющие окислы металлов, выбранные из группы: иттрий, лантан, алюминий, цирконий, гафний, при следующем соотношении компонентов композиционного материала, мас.%:
Дисперсно-упрочненный окислами никелевый сплав с алюминием и бором - 7 - 62
Дисперсно-упрочненный окислами молибден - Остальное
причем размер частиц окислов, мкм
в молибдене - 0,003 - 0,03
в никелевом сплаве - 0,005 - 0,30
2. Материал по п.1, отличающийся тем, что в нем дисперсно-упрочненный окислами никелевый сплав имеет следующий состав, мас.%.

Окисел металла, выбранного из группы: иттрий, лантан, алюминий, цирконий, гафний - 1 - 3
Алюминий - 12 - 15
Бор - 0,005 - 0,2
Никель - Остальное