Жаропрочный сплав на основе никеля

Жаропрочный сплав на основе никеля

Реферат

 

Предлагается жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий алюминий, кобальт или железо, а также не менее одного элемента из группы: титан, тантал, ниобий, молибден, хром, отличающийся тем, что он дополнительно содержит один или несколько элементов из группы: скандий, церий, лантан, магний, бор при следующих соотношениях (вес.%); Co 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, Ce, La, Mg, B - 0,01 - 0,1%, - основа. 3 табл.

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным сплавам на никелевой основе, предназначенным для изготовления, в том числе путем обработки давлением, высоконагруженных деталей, работающих при температурах выше 600^oC, в частности дисков ГТД. Поскольку одной из важнейших задач авиационного материаловедения является снижение удельной массы сплавов при сохранении или улучшении их эксплуатационных свойств, многообещающим направлением является использование в качестве основы сплава интерметаллических соединений никеля и алюминия, в особенности интерметаллида NiAl.

Поскольку это соединение в нелегированном виде весьма хрупко, что делает невозможным его использование как конструкционного материала, необходимо дополнительное легирование с целью придания сплаву на основе NiAl требуемых характеристик пластичности.

В настоящее время известен сплав на основе Ni, содержащий (вес.) 7 12 Al, 3 35 Fe или Со, 5 40% Cr, 0 10,5 W, 0 4 Мо, 0 0,1 Zr, 0 0,01 B (патент США N 4054469). Этот сплав изготавливается способом направленной кристаллизации и имеет структуру, состоящую из -твердого раствора на основе Ni и Fe (или Co), упрочненного однонаправленными волокнами b-фазы на основе NiAl. Этот сплав обладает удовлетворительной пластичностью благодаря пластичности g-матрицы, и неплохими механическими свойствами, но только в направлении вдоль волокон b-фазы. Механические свойства в поперечном направлении неудовлетворительные, что существенно ограничивает область применения этого сплава.

За прототип принят сплав на основе Ni, содержащий (вес.): 4 17 Al, 2 - 70 Fe, Co, Mn или Si, причем Fe или Со до 70% Mn до 25% Si до 14% а также до 5% хотя бы одного из элементов Nb, Ta, Mo, V, Ti, Cr, Zr, W, Y, Cu (патент США N 4642145). Согласно патенту, сплав предназначен для использования в качестве компонентов композиционных материалов, материала фильтров или электротехнического материала.

Сплав получается, в частности, методом сверхбыстрой закалки из жидкого состояния. При этом формируется микроструктура с размером зерна не более 10 мкм и развитой субструктурой в виде большого количества антифазных доменов размером не более 70 нм. Сплав с такой структурой обладает хорошей пластичностью и неплохими механическими свойствами при комнатной температуре. Однако поскольку пластичность сплава, как было указано выше, обусловлена наличием мелкозернистой структуры с антифазными доменами, диапазон его рабочих температур ограничен 200^oC. При превышении этой температуры начинается рекристаллизация, и сплав полностью теряет свои пластические свойства, что делает его полностью непригодным к эксплуатации в качестве жаропрочного материала. Кроме того, современная технология сверхбыстрой кристаллизации позволяет получать сплав только в виде ленты, что также ограничивает сферу его применения.

Технической задачей данного изобретения является создание жаропрочного сплава на основе интерметаллического соединения NiAl с плотностью не более 8,0 г/см³, допускающего применение термомеханической обработки и имеющего эксплуатационные свойства на уровне современных сплавов для дисков ГТД.

Предлагаемый сплав на основе Ni содержит (вес.): Ni основа, 25 50 Co или Fe, 10 17 Al, не менее одного элемента из группы: Мо 3 10% Cr 3 - 20% Ti 3 10% Nb 1 6% Ta 1 5% а также не менее одного элемента из группы: Sc, Ce, La, Mg, B в суммарном количестве O,01 0,1% При указанном содержании Ni, Al и Co (или Fe) формируется структура сплава, где зерна, состоящие из интерметаллического соединения NiAl (b-фаза) с низкой плотностью и высокой жаропрочностью, окружены сплошными зернограничными выделениями g-твердого раствора, обладающего низкотемпературной пластичностью. Эта структура не имеет какой-либо текстурированности, если она не получена специально путем соответствующей термомеханической обработки, поэтому свойства сплава будут изотропны в плоскости штамповки.

Однако g-твердый раствор на основе Ni быстро разупрочняется с повышением рабочей температуры, а начиная с 800^oC заметно подвержен окислению. Поэтому сплав нуждается в дополнительном легировании для получения необходимых эксплуатационных свойств.

Для упрочнения g-твердого раствора сплав легируется Ti, Mo, Cr, Tf или Nb. Следует отметить отличие от прототипа, где вышеперечисленные элементы используются для легирования b-фазы, тогда как в предлагаемом сплаве они упрочняют главным образом g-твердый раствор, отсутствующий в прототипе. Ti имеет наименьшую удельную массу из перечисленных элементов, однако при более высоких рабочих температурах влияние Mo, Nb или Та более эффективно. Кроме того, Nb, Mo и Ta помимо g-твердого раствора дополнительно упрочняют b-матрицу, что также важно при высоких рабочих температурах. Cr, помимо упрочняющего воздействия, увеличивает стойкость сплава к окислению, что важно при высоких температурах эксплуатации.

Дополнительным механизмом упрочнения тела зерна в данных сплавах является дисперсионное твердение, при котором в b-матрице выполняются частицы g-фазы.

Очень важное значение для этих сплавов имеют границы раздела g-твердого раствора и b-фазы. В предлагаемых сплавах они имеют особенно важное значение, т. к. фактически определяют зернограничную прочность, соединяя зернограничные выделения g-твердого раствора и b-фазу в теле зерна. Кроме того, от состояния границ между b-матрицей и частицами g-фазы зависит степень дисперсионно-упрочняющего эффекта последних.

Дополнительное упрочнение этих границ раздела необходимо, т. к. здесь контактируют неупорядоченный g-твердый раствор и b-фаза с упорядоченной кристаллической структурой типа B2. Такое различие кристаллических структур обуславливает сильную некогерентность границы, причем эта некогерентность увеличивается с усилием легирования сплава, следовательно, граница нуждается в упрочнении для предотвращения межфазного растрескивания под нагрузкой.

Для упрочнения границ раздела в сплаве применено микролегирование одним или нескольким элементами из группы: Sc, Ce, La, Mg, В. Данные элементы являются поверхностно активными, так что будучи введенными в сплав, они располагаются вдоль границ раздела и, уменьшая зернограничное несоответствие разных кристаллических решеток, снижают, тем самым, межфазные напряжения и повышают зернограничную прочность. Эффективность микролегирования каждым из этих элементов зависит от того, какие из основных легирующих элементов и в каком количестве применены в сплаве.

Для практического осуществления данного изобретения был выплавлен ряд сплавов в пределах предлагаемых составов и контрольные (запредельные) составы, а также состав прототипа (таблица 1).

Выплавка осуществлялась в вакуумно-индукционной печи, полученные слитки подвергались отжигу для устранения локальных химических неоднородностей и литейных напряжений.

Слитки подвергались деформации методом прессования (экструзии) с получением прессованных прутков. Деформированный металл подвергался окончательной термообработке, состоящей из закалки при 1300^oC с выдержкой 4 часа для формирования рекристаллизованной зеренной структуры с требуемыми зернограничными выделениями и старения при 850^oC в течение 15 часов для придания сплаву термической стабильности и образования упрочняющих выделений g-фазы.

После термообработки изготовлялись образцы для механических испытаний при комнатной и рабочей температурах. Результаты испытаний приведены в таблице 2.

С целью определения способности сплава к длительной и многократной эксплуатации, помимо испытаний в исходном состоянии, проводились испытания после предварительной выдержки при температуре эксплуатации (800^oC, 50 часов), имитирующей наработку (таблица 3).

Из результатов испытаний видно, что если при испытаниях в исходном состоянии предлагаемый сплав показывает количественное превосходство в свойствах как над прототипом, так и над запредельными составами, то после имитации наработки вследствие рекристаллизации прототип полностью теряет эксплуатационные свойства в то время, когда предлагаемый сплав их полностью сохраняет.

Низкая удельная масса предлагаемых сплавов при хороших эксплуатационных свойствах позволит существенно улучшить весовые характеристики новых ГТД, что, в свою очередь, существенно повысило бы экономичность и грузоподъемность самолетов.

Формула изобретения

Жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий алюминий, кобальт или железо и не менее одного элемента, выбранного из группы, включающей титан, тантал, ниобий, молибден, хром, отличающийся тем, что он дополнительно содержит не менее одного элемента, выбранного из группы, содержащей скандий, церий, лантан, магний, бор, при следующем соотношении компонентов, мас.

Кобальт или железо 25 50 Алюминий 10 17 Не менее одного элемента из группы, содержащей: Титан 3 10 Тантал 1 5 Ниобий 1 6 Молибден 3 10 Хром 3-20 Не менее одного элемента из группы, содержащей скандий, церий, лантан, магний, бор 0,01 0,1 Никель Остальное