Жаростойкий сплав на основе интерметаллида ni3al и изделие, выполненное из него
Патент 2256714
Авторы
Правообладатели
Классы МПК
Жаростойкий сплав на основе интерметаллида ni3al и изделие, выполненное из него
Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным жаростойким сплавам на основе интерметаллида Ni3Al и изделиям, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям с монокристаллической структурой, таким как, например, рабочие и сопловые лопатки, проставки соплового аппарата и другие детали газотурбинных двигателей авиационной промышленности. Предложены сплав на основе Ni3Al и изделие, выполненное из него. Сплав содержит алюминий, хром, вольфрам, молибден, титан, цирконий, углерод, при этом он дополнительно содержит тантал и лантан, при следующем соотношении компонентов, мас.%: Al 9,2-9,6, Cr 4,2-4,8, W 2,7-3,2, Мо 2,8-3,2, Ti 1,0-1,4, С 0,001-0,02, Zr 0,05-0,5, Та 0,1-0,5, La 0,0015-0,015, Ni - остальное. Технический результат - разработка сплава и изделия, выполненного из него, обладающих повышенной кратковременной прочностью при температурах 1150-1200°С и жаропрочностью при 1200-1250°С с рабочей температурой до 1300°С. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.
Реферат
Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным жаростойким сплавам на основе интерметаллида Ni3Al и изделиям, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям с монокристаллической структурой, таким как, например, рабочие и сопловые лопатки, проставки соплового аппарата и другие детали газотурбинных двигателей авиационной и автомобильной промышленности.
Известен сплав на основе интерметаллида Ni3Аl следующего химического состава, мас. %:
Аl 10-12
Fe 14,5-17,5
Mo 2,7-4,0
Hf 0,9-1,7
С 0,01-0,06
Се 0,005
Ni остальное
Патент РФ №2603902.
Недостатком этого сплава является невысокая рабочая температура (≤900°С) и склонность к трещинообразованию при увеличении количества теплосмен ≤ 100 циклов.
Изделия из этого сплава используются, например, для проставок соплового аппарата ГТД с ограниченным ресурсом работы при температурах эксплуатации до 900°С.
Известен сплав на основе никеля следующего химического состава, мас.%:
Аl 9,2-9,8
Cr 5,5-6,5
W 3,0-4,0
Mo 2,0-3,0
Ti 1,3-2,0
Co 2,0-3,0
С 0,001-0,02
La 0,0015-0,015
Се 0,003-0,025
Ni остальное
и изделие, выполненное из него.
Патент РФ №2165472.
Недостатком этого сплава является низкая прочность и недостаточная жаропрочность в интервале температур 850-1000°С.
Изделия из этого сплава, например рабочие лопатки ГТД, имеют короткий ресурс работы, а также ограничена номенклатура отливаемых деталей.
Известен сплав на основе интерметаллида Ni3Al следующего химического состава, мас.%:
Аl 8,0-9,5
Mo 0,5-1,5
Co 4,0-5,0
Fe 4,0-6,0
Hf 0,5-1,0
В 0,02-0,04
С 0,03-0,06
Ni остальное
Патент РФ №2034085.
Недостатком этого сплава является низкая прочность и низкая жаропрочность в интервале температур 800-1200°С.
Изделия из этого сплава, например детали камер сгорания, имеют ограниченный ресурс работы, а также ограниченную номенклатуру изготавливаемых деталей.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является сплав на основе интерметаллида Ni3Al, имеющий химический состав, мас.%:
Аl 7,8-9,0
Cr 5,0-6,5
W 2,7-4,0
Mo 3,0-4,0
Ti 0,8-1,2
С 0,001-0,005
Sn 0,03-0,05
Zr 0,05-0,5
Ni остальное
и изделие, выполненное из него.
Патент РФ №2198233.
Недостатком этого сплава является пониженная кратковременная прочность при температурах 1150-1200°С, недостаточная жаропрочность в интервале температур 1000-1200°С и жаростойкость при температуре 1200-1250°С; сплав-прототип не может работать при температуре до 1300°С.
Изделия из этого сплава, например сопловые лопатки, блоки сопловых лопаток ГТД, имеют низкий выход годного и недостаточную долговечность.
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка жаростойкого сплава и изделий, выполненных из него, обладающих повышенными кратковременной прочностью при температурах 1150-1200°С и жаропрочностью при температурах 1000-1200°С, высокой жаростойкостью при температурах 1200-1250°С с рабочей температурой до 1300°С.
Для достижения поставленной технической задачи предлагается жаростойкий сплав на основе интерметаллида Ni3Al, содержащий алюминий, хром, вольфрам, молибден, титан, цирконий, углерод, который дополнительно содержит тантал и лантан при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Аl 9,2-9,6
Cr 4,2-4,8
W 2,7-3,2
Mo 2,8-3,2
Ti 1,0-1,4
Zr 0,05-0,5
С 0,001-0,02
Та 0,1-0,5
La 0,0015-0,015
Ni остальное.
и изделие, выполненное из него.
Авторами было установлено, что при дополнительном введении в состав сплава тантала и лантана при заявленных соотношениях компонентов наблюдается уплотнение оксидной пленки и улучшается ее адгезия с основным материалом, что при высоком содержании алюминия в сплаве и, соответственно в оксидной пленке, повышает сопротивление сплава высокотемпературному окислению и обеспечивает высокую жаростойкость сплава при 1200-1250°С. Упрочнение γ'-фазы и γ-твердого раствора танталом и большой атомный радиус лантана способствуют снижению скорости диффузии при высоких температурах как в объеме зерна, так и по границам, что в свою очередь обеспечивает повышенные прочность и жаропрочность сплава при температурах 1000-1200°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 ⊘ 60 мм отбирали стружку на химический анализ. Результаты химического анализа составов предлагаемого жаростойкого сплава и сплава-прототипа 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. После переплава получали образцы ⊘ 16 мм и длиной 150 мм.
Свойства предлагаемого жаростойкого сплава с различным соотношением компонентов и сплава-прототипа приведены в таблице 2.
Из таблицы 2 видно, что свойства предлагаемого жаростойкого сплава на основе интерметаллида Ni3Al выше, чем свойства сплава-прототипа.
Кратковременная прочность при температуре 1150°С (σB 1150) на 24,9-29,1% у предлагаемого сплава выше чем у сплава-прототипа; при температуре 1200°С (σв 1200) - на 19,0-25,0%; при температуре 1300°С предлагаемый сплав кратковременно работает и σB 1300 составляет 6,5-7,0 кгс/мм2.
Жаропрочность по пределу длительной прочности при температуре 1000°С на базе 1000 часов (σ1000 1000) y предлагаемого сплава на 75,0-87,5% выше чем у сплава-прототипа; при температуре 1100°С на базе 500 часов (σ500 1100) - на 11,1-18,0%; при температуре 1200°С на базе 500 часов (σ500 1200) y предлагаемого сплава на 30,4-39,1% выше чем у сплава-прототипа.
Жаростойкость по привесу при окислении на воздухе за 500 часов при температуре 1200°С на 18,2-30,0% и жаростойкость по привесу при окислении на воздухе за 500 часов при температуре 1250°С на 48,5-53,0% у предлагаемого сплава лучше, чем у сплава-прототипа.
Использование предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni3Al повышает надежность изделий и увеличивает их ресурс работы.
| Таблица 1 | |||||||||||
| № п/п | Содержание элементов, мас.% | ||||||||||
| Аl | Cr | W | Mo | Ti | С | Zr | Та | La | Sn | Ni | |
| I | 9,6 | 4,5 | 3,0 | 3,0 | 1.0 | 0,01 | 0,3 | 0,3 | 0,0015 | - | Осн |
| II | 9.2 | 4,8 | 2,7 | 3,2 | 1,2 | 0,001 | 0,05 | 0,5 | 0,010 | - | Осн |
| III | 9,4 | 4,2 | 3,2 | 2,8 | 1,4 | 0,02 | 0,5 | 0,1 | 0,015 | - | Осн |
| прототип | 8,5 | 5,5 | 3,4 | 3,5 | 1,0 | 0,003 | 0,3 | - | 0,04 | Осн |
| Таблица 2 | ||||
| Свойства | I | II | III | прототип |
| σВ 1150, кгс/мм2 | 36,0 | 35,6 | 36,8 | 28,5 |
| σВ 1200, кгс/мм | 24,6 | 25,0 | 23,8 | 20,0 |
| σВ 1300, кгс/мм2 | 6,5 | 7,0 | 7,0 | - |
| σ 1000 1000, кгс/мм2 | 14,5 | 14,0 | 15,0 | 8,0 |
| σ500 1100, кгс/мм2 | 8.5 | 8,2 | 8,0 | 7,2 |
| σ500 1200, кгс/мм2 | 3,1 | 3,0 | 3,2 | 2,3 |
| Жаростойкость по привесу при окислении на воздухе за 500 часов при 1200°С, г/м2 | 21 | 20 | 22 | 26 |
| Жаростойкость по привесу при окислении на воздухе за 500 часов при 1250°С, г/м2 | 35 | 34 | 35 | 52 |
1. Жаростойкий сплав на основе интерметаллида Ni3Al, содержащий алюминий, хром, вольфрам, молибден, титан, цирконий, углерод, отличающийся тем, что он дополнительно содержит тантал и лантан при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Аl 9,2-9,6
Cr 4,2-4,8
W 2,7-3,2
Мо 2,8-3,2
Ti 1,0-1,4
Zr 0,05-0,5
С 0,001-0,02
Та 0,1-0,5
La 0,0015-0,015
Ni Остальное
2. Изделие из жаростойкого сплава на основе интерметаллида Ni3Аl, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п.1.