Сплав на основе интерметаллида ni3al и изделие, выполненное из него
Патент 2256716
Авторы
Правообладатели
Классы МПК
Сплав на основе интерметаллида ni3al и изделие, выполненное из него
Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным интерметаллидным сплавам на основе Ni3Al и изделиям, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям с монокристаллической структурой, таким как рабочие лопатки газотурбинных двигателей авиационной промышленности. Предложен сплав на основе Ni3Al и изделие, выполненное из него. Сплав содержит алюминий, хром, молибден, вольфрам, титан, углерод, кобальт, рений, лантан, при этом он дополнительно содержит цирконий, при следующем соотношении компонентов, мас.%: Al 7,7-8,7, Cr 5,0-6,0, Мо 4,5-5,5, W 2,5-3,5, Ti 0,3-0,8, С 0,001-0,02, Со 4,0-6,0, Re 1,2-1,8, La 0,002-0,200, Zr 0,05-0,5, Ni остальное. Использование предлагаемого сплава повышает надежность рабочих лопаток ГТД и увеличивает их ресурс работы за счет повышенного предела ползучести в интервале температур 900-1000°С и малоцикловой усталости при 900°С. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.
Реферат
Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным интерметаллидным сплавам на основе Ni3Al и изделиям, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям с монокристаллической структурой, таким как рабочие лопатки: газотурбинных двигателей авиационной промышленности.
Известен сплав на основе интерметаллида Ni3Al следующего химического состава, ат.%:
Аl 10-16
Si 0,5-8
Та 0,5-9
Hf 0,1-2
В 0,1-2
Ni остальное
Патент США №4990199.
Недостатком этого сплава является недостаточно высокая рабочая температура (850°С) и неудовлетворительная долговечность при рабочей температуре.
Изделия из этого сплава используются в наземных газоперекачивающих установках с ограниченным ресурсом работы.
Известен сплав на основе никеля следующего химического состава, (мас.%):
Аl 8,5-9,2
Cr 5,0-6,0
Мо 3,0-4,0
W 4,5-5,5
Ti 0,5-1,0
Сo 2,0-3,0
С 0,003-0,005
La 0,002-0,025
Се 0,003-0,025
Re 1,0-2,0
Ni остальное
Патент РФ №2212462.
Недостатком этого сплава является невысокая жаропрочность в интервале температур 900-1000°С на базах испытания 100, 500 и 1000 часов.
Изделия из этого сплава, например рабочие лопатки ГТД, имеют короткий ресурс работы.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является сплав на основе интерметаллида Ni3Аl, имеющий химический состав, мас.%:
Аl 17,7-8,7
Cr 5,0-6,0
Мо 4,5-5,5
W 2,5-3,5
Ti 0,3-0,8
С 0,005-0,01
Со 3,5-4,5
Re 1,2-1,8
Та 0,1-1,0
La 0,015-0,025
Ni остальное
Патент РФ 2221890.
Недостатком этого сплава является пониженный предел ползучести в интервале температур 900-1000°С и недостаточно высокая малоцикловая усталость при температуре 900°С.
Изделия из этого сплава, рабочие лопатки ГТД, имеют ограниченный ресурс работы.
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка сплава и изделий, выполненных из него, обладающих повышенными пределом ползучести в интервале температур 900-1000°С и малоцикловой усталостью при температуре 900°С.
Для достижения поставленной технической задачи предлагается сплав на основе интерметаллида Ni3Al, содержащий алюминий, хром, молибден, вольфрам, титан, углерод, кобальт, рений и лантан, который дополнительно содержит цирконий, при следующем соотношении компонентов, маc.%:
Аl 7,7-8,7
Cr 5,0-6,0
Мо 4,5-5,5
W 2,5-3,5
Ti 0,3-0,8
С 0,001-0,02
Со 4,0-6,0
Re 1,2-1,8
La 0,002-0,200
Zr 0,05-0,5
Ni остальное
и изделие, выполненное из него.
Авторами было установлено, что при заявленных содержании и соотношениях компонентов в предлагаемом сплаве на основе интерметаллида Ni3Al и дополнительном введении циркония наблюдается уплотнение оксидной пленки сложного состава, содержащей помимо алюминия и хрома цирконий, снижающей диффузию кислорода через слой оксида, что в свою очередь замедляет скорость распространения трещин как при статических, так и при циклических нагрузках и повышает предел ползучести в интервале температур 900-1000°С и малоцикловую усталостью при температуре 900°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 ⊘ 50 мм отбирали стружку на химический анализ. Результаты химанализа составов сплава 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 сплава с различным соотношением компонентов и сплава-прототипа приведены в таблице 2.
Из таблицы 2 видно, что свойства предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni3Аl выше, чем свойства известного. Предел ползучести по допуску 0,2% по остаточной деформации при 900°С (σ0,2 900) на базе 100 часов у предлагаемого сплава на 52-60% выше, чем у сплава-прототипа; при 1000°С (σ0,2 1000) на базе 100 часов - на 60-70%; малоцикловая усталость на гладких образцах на базе 104 цикла при 900°С (σ-1 1) у предлагаемого сплава на 52-60% выше, чем у сплава-прототипа 42,2-46,7%.
Использование предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni3Al повышает надежность рабочих лопаток ГТД и увеличивает их ресурс работы.
| Таблица 1 | ||||||||||||
| состав | Содержание элементов, % масс. | |||||||||||
| Аl | Cr | Мо | W | Ti | С | Со | Re | La | Zr | Та | Ni | |
| I | 7,7 | 5,5 | 4,5 | 3,5 | 0,8 | 0,001 | 4,0 | 1,2 | 0,002 | 0,1 | Осн | |
| II | 8,7 | 5,0 | 5,0 | 3,0 | 0,3 | 0,01 | 5,0 | 1,6 | 0,1 | 0,50 | Осн | |
| III | 8,2 | 6,0 | 5,5 | 2,5 | 0,5 | 0,02 | 6,0 | 1,8 | 0,2 | 0,05 | Осн | |
| прототип | 8,2 | 5,5 | 5,0 | 3,0 | 1,0 | 0,008 | 4,0 | 1,6 | 0,02 | - | 0,55 | Осн |
| Таблица 2 | |||
| Свойства | Предел ползучести по допуску 0,2% по остаточной деформации при 900°C (σ0,2 900) на базе 100 час, кгс/мм, | Предел ползучести по допуску 0,2% по остаточной деформации при 1000 °C (σ0,2 1000) на базе 100 час, кгс/мм, | Малоцикловая усталость на гладких образцах на базе 104 цикла при 900°С (σ-1 1), кгс/мм2 |
| I | 38,0 | 16,0 | 64,0 |
| II | 40,0 | 16,5 | 66,0 |
| III | 39,0 | 17,0 | 65,0 |
| прототип | 25,0 | 10,0 | 45,0 |
1. Сплав на основе интерметаллида Ni3Аl, содержащий алюминий, хром, молибден, вольфрам, титан, углерод, кобальт, рений, лантан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит цирконий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Аl 7,7-8,7
Cr 5,0-6,0
Мо 4,5-5,5
W 2,5-3,5
Ti 0,3-0,8
С 0,001-0,02
Со 4,0-6,0
Re 1,2-1,8
La 0,002-0,200
Zr 0,05-0,5
Ni Остальное
2. Изделие из сплава на основе интерметаллида Ni3Аl, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п.1.