Сплав на основе интерметаллида ni3al

Сплав на основе интерметаллида ni3al

Реферат

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным сплавам на основе интерметаллида Ni₃Al и изделиям, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям с поликристаллической и направленной столбчатой структурами, таким как, например, сопловые лопатки, блоки сопловых лопаток, створки регулируемого сопла и другие детали газотурбинных двигателей авиационной и автомобильной промышленности.

Известен сплав на основе интерметаллида Ni₃Al следующего химического состава, мас.%:

Al	11,5
Со	11,5
Мо	1,0
Hf	1,75
Nb	0,5
Zr	0,05
Ni	остальное

(Патент США №4613368). Недостатком этого сплава является низкая (<3%) пластичность при температурах 600-800°С и невысокая рабочая температура (до 800°С).

Изделия из этого сплава используются для наземных силовых установок при температурах эксплуатации до 800°С.

Известен сплав на основе интерметаллида Ni₃Al следующего химического состава, мас.%:

Al	10,5-12,5
Cr	4-6
W	1,5-2,5
Ti	1,0-1,6
С	0,1-0,2
Si	0,9-1,2
В	0,005-0,015
Y	0,005-0,015
Ni	остальное

(Патент РФ №2230812). Недостатками этого сплава являются недостаточные кратковременная прочность при комнатной температуре и жаропрочность при температурах 1000-1200°С.

Изделия из этого сплава, например бандажные полки рабочих лопаток и вкладыши соплового аппарата газовых турбин имеют ограниченный ресурс работы.

Известен сплав на основе интерметаллида Ni₃Al следующего химического состава, мас.%:

Al	8,0-9,0
Cr	4,5-6,5
W	2,0-4,2
Mo	2,5-4,5
Ti	1,0-2,0
С	0,10-0,18
Hf	0,40-0,60
Ni	остальное

(Патент РФ №2304179). Недостатком известного сплава является недостаточная жаропрочность при температурах 1100-1200°С на базе испытания 500 часов.

Сплав предназначен для сопловых лопаток и проставок соплового аппарата и других деталей ГТД.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, имеющий химический состав, мас.%:

Al	8,0-9,0
Cr	5,0-6,0
W	4,5-5,5
Mo	2,5-3,5
Ti	1,2-2,0
Zr	0,005-0,040
С	0,12-0,15
Y	0,3-0,4
Ni	остальное

(Патент РФ №2215054). Недостатками сплава-прототипа являются недостаточно высокие жаропрочность при температурах 1100-1200°С на базе 100 часов, жаростойкость при 1250°С (привес за 100 часов) и рабочая температура (1250°С).

Сплав предназначен для деталей камеры сгорания, высокотемпературного крепежа авиационных двигателей, резьбовых захватов испытательных машин и не может быть использован для лопаток турбин.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание сплава на основе интерметаллида Ni₃Al, обладающего повышенной жаропрочностью при температурах 1100-1200°C на базе 100 часов и жаростойкостью при 1250°С, повышение его рабочей температуры до 1300°С, которая подтверждается значениями кратковременной прочности.

Для достижения поставленной технической задачи предложен сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, содержащий алюминий, хром, вольфрам, титан, цирконий, углерод, иттрий, никель, который дополнительно содержит лантан и бор при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Al	8,0-10,8
Cr	4,0-6,0
W	1,5-5,5
Ti	1,0-1,4
Zr	0,03-0,05
С	0,15-0,20
Y	0,01-0,02
La	0,0015-0,0150
В	0,008-0,018
Ni	остальное

Авторами было установлено, что при введении в состав лантана и бора, при заявленном содержании и соотношениях компонентов в предлагаемом сплаве на основе интерметаллида Ni₃Al наблюдается снижение содержания кислорода в расплаве и образование мелкодисперсной интерметаллидной и боридной фаз, при этом достигается наибольший эффект повышения жаропрочности сплава при температурах 1100-1200°C, жаростойкости при 1250°C, повышение рабочей температуры.

Примеры осуществления

Шихтовую заготовку из предлагаемого сплава и сплава-прототипа выплавляли из чистых шихтовых материалов в вакуумной индукционной печи с тиглем из основной футеровки. После разливки сплавов в кокили ⌀ 90 мм отбирали стружку на химический анализ. Результаты химического анализа составов сплава приведены в таблице 1.

С целью повышения жаропрочности сплава при высоких температурах, а также стабильности свойств механически обработанные образцы и детали термообрабатывали на воздухе по следующему режиму: отжиг при температуре 1150±10°C в течение 1 ч, охлаждение на воздухе.

Свойства предлагаемого сплава и сплава-прототипа, полученных по одной и той же технологической схеме, приведены в таблице 2.

Из таблицы 2 видно, что свойства предлагаемого сплава выше, чем свойства сплава-прототипа: жаропрочность при температуре 1100°С на базе испытания 100 часов на образцах с поликристаллической (равноосной) структурой (σ¹¹⁰⁰ ₁₀₀) - на 30,95-38,1%, с направленной столбчатой структурой - на 18,2-27,3%; жаропрочность при температуре 1200°C на базе испытания 100 часов с поликристаллической (равноосной) структурой (σ¹²⁰⁰ ₁₀₀) - на 80,0-100%, с направленной столбчатой структурой - на 75,0-100%; жаростойкость при 1250°С на 24-36%; рабочая температура - на 50°С.

Использование предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Al повышает температуру газа перед турбиной, тягу двигателя, надежность деталей и увеличивает ресурс их работы.

Таблица 1
Составы предлагаемого сплава и сплава-прототипа
Состав	Содержание элементов, мас.%
Al	Cr	W	Ti	C	Zr	Y	La	В	Мо	Ni
1	8,0	4,0	1,5	1,0	0,15	0,03	0,01	0,0015	0,008	-	ост.
2	10,8	5,0	5,5	1,2	0,20	0,05	0,02	0,0150	0,018	-	ост.
3	9,4	6,0	3,5	1,4	0,18	0,04	0,015	0,0080	0,013	-	ост.
прототип	8,5	5,5	5,0	1,6	0,13	0,02	0,35	-	-	3,0	ост.

Таблица 2
Свойства предлагаемого сплава на основе и сплава-прототипа
№ п/п	σ1100 100, МПа,PK	σ1100 100 МПа, HK	σ1200 100, МПа,PK	σ1200 100 МПа,HK	σв 1300 МПа,PK	σв 1300 МПа,HK	Привес за 100 ч при 1250°C
1	55	68	22	35	20	60	19
2	56	65	20	40	22	65	16
3	58	70	20	38	25	70	18
4 - прототип	42	55	10	20	-	-	-

Сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, содержащий алюминий, хром, вольфрам, титан, цирконий, углерод, иттрий, никель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит лантан и бор при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Al	8,0-10,8
Cr	4,0-6,0
W	1,5-5,5
Ti	1,0-1,4
Zr	0,03-0,05
С	0,15-0,20
Y	0,01-0,02
La	0,0015-0,0150
В	0,008-0,018
Ni	остальное