Сплав на основе интерметаллида ni3al и изделие, выполненное из него

Сплав на основе интерметаллида ni3al и изделие, выполненное из него

Реферат

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству сплавов на основе интерметаллида Ni₃Al и изделиям, получаемым из них методом направленной кристаллизации, с монокристаллической или столбчатой структурами, например лопаток газовых турбин, работающих при температурах до 1200°C.

Известен сплав на основе интерметаллида Ni₃Аl следующего химического состава, атомн.%:

Алюминий	15,5-10,0
Хром	4-8
Молибден	3,5-5,5
Цирконий	0,04-0,2
Бор	0,04-1,5
Никель	остальное

(патент США №6106640)

Известный сплав обладает недостаточной прочностью при растяжении и жаропрочностью при температуре 1200°С. Сплав имеет предел прочности 130 МПа, предел текучести 127 МПа; при температуре 1040°С и напряжении 11,9 МПа время до разрушения при испытании на длительную прочность сплава составляет 137,9 ч.

Из известного сплава изготавливают детали горячего тракта газотурбинного двигателя.

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

Алюминий	7,7-8,7
Хром	5,0-6,0
Молибден	4,5-5,5
Вольфрам	2,5-3,5
Титан	0,3-0,8
Углерод	0,001-0,02
Кобальт	4,0-6,0
Рений	1,2-1,8
Лантан	0,002-0,200
Цирконий	0,05-0,5
Никель	Остальное

и изделие, выполненное

из него (патент РФ №2256716)

Недостатком известного сплава и изделия с монокристаллической структурой, например рабочие лопатки газовой турбины, выполненные из этого сплава, является склонность к образованию топологически плотноупакованных (ТПУ) фаз при длительном воздействии высоких температур. Отрицательное влияние ТПУ фаз на свойства сплава и изделия проявляется в том, что они служат источником зарождения микротрещин, ведущих к преждевременному разрушению изделий, выполненных из него. Кроме этого, ТПУ фазы связывают значительное количество легирующих элементов Re, Mo, W и, тем самым, обедняют ими фазы на основе интерметаллида Ni₃Al (γ'-фаза) и на основе никеля (γ-фаза), повышая скорость диффузии атомов компонентов сплава и, следовательно, понижая сопротивление высокотемпературной ползучести. В результате известный сплав и изделия, выполненные из него, обладают недостаточной прочностью при растяжении и жаропрочностью: при температуре 1200°С сплав с монокристаллической структурой в кристаллографическом направлении [001] имеет предел прочности ~170 МПа, предел текучести ~165 МПа; долговечность сплава при испытании на длительную прочность при напряжении 40 МПа составляет ~90 ч.

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

Алюминий	7,8-9,0
Хром	4,5-5,5
Молибден	4,5-5,5
Вольфрам	1,8-2,5
Титан	0,6-1,2
Углерод	0,007-0,02
Кобальт	3,5-4,5
Лантан	0,0015-0,015
Никель	остальное (патент РФ №2114206)

Сплав-прототип с монокристаллической структурой в кристаллографическом направлении [001] обладает недостаточно высокими характеристиками кратковременной и длительной прочности, что не обеспечивает достижения требуемых показателей надежности и ресурса изделий с монокристаллической структурой в кристаллографическом направлении [001], например сопловых лопаток газовой турбины, выполненных из сплава-прототипа.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание сплава на основе интерметаллида Ni₃Al и изделия, выполненного из него, обладающих повышенными характеристиками кратковременной прочности в интервале температур 20-1200°С и длительной прочности в интервале температур 1000-1200°С.

Для достижения поставленной технической задачи предлагается сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, содержащий алюминий, хром, молибден, вольфрам, углерод, кобальт, лантан, который дополнительно содержит рений, тантал и церий при следующем соотношении компонентов, масс.%:

Алюминий	8,0-8,8
Хром	3,0-4,0
Молибден	4,0-5,0
Вольфрам	2,0-3,0
Углерод	0,002-0,05
Кобальт	4,0-6,0
Рений	0,15-0,65
Лантан	0,005-0,25
Тантал	5,6-6,4
Церий	0,001-0,02
Никель	остальное

и изделие, выполненное из него

При дополнительном легировании танталом предлагаемого сплава повышение характеристик кратковременной и длительной прочности достигается за счет увеличения периода кристаллической решетки интерметаллидной γ'-фазы на основе Ni₃Al, содержание которой в структуре сплава составляет ~90% (по объему). Тантал в основном растворяется в γ'-фазе сплава с коэффициентом распределения между γ'-фазой и равновесным с ней γ-раствором, равным ~3. Поэтому действие тантала в заявленном соотношении вызывает значительно большее увеличение периода кристаллической решетки интерметаллидной γ'-фазы по сравнению с влиянием других компонентов сплава на этот важный фактор прочности и жаропрочности.

Введение в состав сплава на основе интерметаллида Ni₃Al рения, который растворяется практически полностью в γ-фазе, занимающей в структуре сплава ~10% (по объему), понижает диффузионную подвижность атомов компонентов в этой фазе, и, следовательно, повышает их высокотемпературные характеристики кратковременной прочности и сопротивление длительной высокотемпературной ползучести.

Введение в состав предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Al редкоземельного элемента церия за счет синергетического действия с редкоземельным элементом лантаном при заявленном соотношении остальных легирующих элементов значительно усиливает влияние этих редкоземельных элементов на упрочнение межфазных поверхностей раздела в сплаве на основе интерметаллида Ni₃Al между γ'-фазой и равновесным с ней γ-твердым раствором, усиливая при высоких температурах сопротивление высокотемпературной ползучести, окислению и коррозии сплава и изделия из него.

Исключение из химического состава заявляемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Al титана наряду с легированием более тугоплавкими элементами танталом и рением способствует увеличению температуры плавления сплава и изделия из него и тем самым понижает их гомологическую температуру. Поэтому в соответствии с известным соотношением D_i=D₀ехр(-18/T_гом) (здесь D_i - коэффициенты диффузии легирующих i элементов, Т_гом=T/T_пл - гомологическая температура) диффузионная подвижность атомов компонентов в таком сплаве будет ниже и, следовательно, длительная прочность выше.

Изделия из предлагаемого сплава, например лопатки газовых турбин, будут иметь повышенную долговечность, а следовательно, надежность и ресурс.

Примеры осуществления

В вакуумной индукционной печи были выплавлены три сплава предлагаемого состава и один сплав состава, взятого за прототип. Химические составы (в масс.%) предлагаемого сплава и сплава-прототипа приведены в таблице 1. Затем выплавленные сплавы переплавляли в вакуумной установке для направленной кристаллизации и получали изделия с монокристаллической структурой, главная ось симметрии которых совпадала с кристаллографическим направлением роста [001], в виде отливок (диаметр 16 мм, длина 185 мм). Далее из этих отливок изготавливали образцы для дифференциального термического анализа, по результатам которого определяли температуру плавления Т_пл. С учетом измеренной температуры плавления отливки с монокристаллической структурой подвергали высокотемпературной термической обработке, включающей гомогенизирующий отжиг с последующим охлаждением с контролируемой скоростью. Из термически обработанных таким образом монокристаллических отливок изготавливали образцы для механических испытаний (длина образца 70 мм, рабочая база 25 мм, рабочий диаметр 5 мм) на растяжение и длительную прочность и рентгеноструктурного анализа, по результатам которых определяли предел прочности, предел текучести, длительную прочность и период кристаллической решетки γ'-фазы. Механические испытания проводили в атмосфере воздуха при температурах 20 и 1200°С, длительную прочность - при температурах 1000 и 1200°С и напряжениях 170 и 50 МПа соответственно, определение периода кристаллической решетки γ'-фазы осуществлялось при комнатной температуре. Полученные характеристики композиций сплава-прототипа, заявляемого сплава и изделий, выполненных из него, приведены в таблице 2.

Как видно из таблицы 2, предлагаемый сплав имеет более высокие значения температуры плавления (на 12-20°С), периода кристаллической решетки γ'-фазы (на 0,0006-0,0008 нм), чем сплав, взятый за прототип. В результате повышения этих структурно-фазовых характеристик и совместного действия редкоземельных элементов характеристики кратковременной прочности при температурах 20 и 1200°С предлагаемого сплава соответственно на 46-70% и 44-47% больше, чем сплава и изделий из него, взятого за прототип.

Таблица 1
№ п/п		Al	Cr	Mo	W	Ti	С	Со	La	Та	Re	Се	Ni
1	Сплав-прототип	8,5	5,0	5,0	2,1	0,9	0,01	4,0	0,015	-	-	-	Ост.
2	Предлагаемый сплав	8,0	4,0	5,0	2,0	-	0,002	6,0	0,25	6,4	0,15	0,001	Ост.
3	8,4	3,5	4,5	3,0	-	0,05	4,0	0,005	5,6	0,4	0,01	Ост.
4	8,8	3,0	4,0	2,5	-	0,02	5,0	0,12	6,0	0,65	0,02	Ост.

Таблица 2
№ п/п	Сплав	Тпл, °C	αγ', нм	σB (20°C)	σ0,2 (20°С)	σB (1200°С)	σ0,2 (1200°С)	Время до разрушения при испытании на длительную прочность, ч
МПа	1000°С, σ=170, МПа	1200°С, σ=50, МПа
1	Сплав-прототип	1318	0,35739	548	323	195	187	59	68
2	Предлагаемый сплав	1331	0,35819	870	550	315	300	112	117
3	1330	0,35805	840	550	290	285	105	93
4	1338	0,35801	820	560	280	275	94	98
Тпл - температура плавления; αγ' - период кристаллической решетки γ' - фазы на основе интерметаллида Ni3Al; σB - предел прочности; σ0,2 - предел текучести; σ - напряжение

Характеристика длительной прочности - долговечность (время до разрушения) - предлагаемого сплава больше в 1,6 раза при температуре 1000°С и в 1,4 раза при температуре 1200°С, чем сплава-прототипа.

Повышенные значения температуры плавления и характеристик высокотемпературной прочности, которые имеет предлагаемый сплав по сравнению со сплавом, взятым за прототип, позволяют получать из предлагаемого сплава при направленной кристаллизации более совершенную монокристаллическую структуру отливок деталей с заданным кристаллографическим направлением.

Таким образом, предлагаемый сплав на основе интерметаллида Ni₃Al значительно превосходит сплав-прототип по характеристикам кратковременной и длительной прочности, что позволяет повысить надежность и ресурс турбинных лопаток с монокристаллической структурой при рабочих температурах до 1200°С.

1. Сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, содержащий алюминий, хром, молибден, вольфрам, углерод, кобальт, лантан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит рений, тантал и церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Алюминий	8,0-8,8
Хром	3,0-4,0
Молибден	4,0-5,0
Вольфрам	2,0-3,0
Углерод	0,002-0,05
Кобальт	4,0-6,0
Рений	0,15-0,65
Лантан	0,005-0,25
Тантал	5,6-6,4
Церий	0,001-0,02
Никель	остальное

2. Изделие из сплава на основе интерметаллида Ni₃Аl, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п.1.