Сплав на основе интерметаллида ni3al с монокристаллической структурой и изделие, выполненное из него

Сплав на основе интерметаллида ni3al с монокристаллической структурой и изделие, выполненное из него

Реферат

Изобретение относится к области металлургии, а именно, к сплавам на основе интерметаллида Ni₃Al с монокристаллической структурой и изделиям, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям, таким как, рабочие и сопловые лопатки, блоки сопловых лопаток и другие детали газотурбинных двигателей (ГТД) авиационной, автомобильной промышленности.

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

Al	7,0-20,0
W	0,5-10,0
Mo	0,5-9,0
Ti	2,0-15,0
В	0-0,2
Mn	0-0,5
Si	0-0,5
Hf	0-0,5
Ni	остальное

(Патент США №5167732).

Недостатком известного сплава является хрупкость при комнатной температуре и невысокая (до 900°C) рабочая температура.

Изделия из этого сплава используются для наземных ГТД при температурах эксплуатации до 900°C.

Известен также сплав на основе интерметаллида Ni₃Al с монокристаллической структурой следующего химического состава, масс.%:

Al	7,8-9,04
Cr	5,0-6,5
W	2,7-4,0
Mo	3,0-4,0
Ti	0,8-1,5
С	0,001-0,02
La	0,016-0,25
Zr	0,05-0,5
Ni	остальное

и изделие, выполненное из него (Патент РФ №2353692).

Недостатком этого сплава является неудовлетворительная выносливость при температурах 20 и 900°C.

Из этого сплава невозможно изготовление ответственных силовых деталей, таких как рабочие лопатки турбин низкого и высокого давления ГТД.

Известен сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, получаемый методом точного литья по выплавляемым моделям, с монокристаллической структурой, следующего химического состава, масс.%:

Al	8,0-9,0
Cr	4,5-5,5
W	1,8-2,5
Mo	4,5-5,5
Ti	0,6-1,2
С	0,01-0,08
Со	3,5-4,5
La	0,0015-0,015
Sc	0,015-0,03
Ni	остальное

и изделие, выполненное из него (Патент РФ №2349663).

Недостатком сплава является неудовлетворительные кратковременная прочность и жаропрочность при температуре 1100°C на базе 100 часов, что ограничивает номенклатуру отливаемых изделий.

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

Al	7,7-8,7
Cr	5,0-6,0
W	2,5-3,5
Mo	4,5-5,5
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 (Патент РФ №2256716).

Недостатком этого сплава является неудовлетворительная жаропрочность при температурах 1000 и 1100°C на базах испытания 100 и 500 часов.

Недостатком изделий, выполненных из этого сплава, является низкий выход годного при отливке изделий с монокристаллической структурой.

Технической задачей изобретения является создание сплава на основе интерметаллида Ni₃Al с монокристаллической структурой с повышенной жаропрочностью при температурах 1000 и 1100°C на базах испытания 100 и 500 часов, повышение выхода годного при отливке изделий.

Для достижения поставленной технической задачи предложен сплав на основе интерметаллида Ni₃Al с монокристаллической структурой, содержащий алюминий, хром, вольфрам, молибден, титан, кобальт, рений, углерод, лантан, никель, который дополнительно содержит иттрий, при следующем соотношении компонентов, масс.%:

Al	8,0-9,0
Cr	4,5-5,5
W	2,0-2,8
Mo	3,5-4,3
Ti	0,3-0,7
Co	4,5-5,5
Re	1,2-1,8
С	0,001-0,05
La	0,0015-0,015
Y	0,015-0,03
Ni	остальное

и изделие, выполненное из него.

Сплав может содержать в виде примесей следующие элементы, масс.%: серу ≤0,005, фосфор ≤0,015, железо ≤0,5, кремний ≤0,4; свинец ≤0,001, висмут ≤0,0005, олово ≤0,003 и сурьму ≤0,003.

Было установлено, что снижение содержания молибдена в сплаве приводит к повышению жаростойкости, следовательно, и жаропрочности. При введении в состав иттрия, действующего как раскислитель, в предлагаемом сплаве на основе интерметаллида Ni₃Al наблюдается снижение содержания кислорода в расплаве, образование частиц мелкодисперсных наноразмерной интерметаллидной фазы типа Ni₅Y, которые выделяются на межфазных границах, тормозят движение дислокации и развитие трещин. При снижении содержания иттрия ниже заявленного предела не происходит образование интерметаллидной фазы типа Ni₅Y, a Y выполняет роль только раскислителя. Увеличение содержания иттрия выше заявленного предела приводит к образованию легкоплавкой фазы типа Ni₇Y₂ (Тпл.=1237°С).

При заявленном содержании и соотношениях компонентов в предлагаемом сплаве на основе интерметаллида Ni₃Al достигается наибольший эффект повышения жаропрочности сплава при температурах 1000 и 1100°С на базах испытания 100 и 500 часов и повышения выхода годного при отливке изделий с монокристаллической структурой.

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 ⌀ 90 мм отбирали стружку на химический анализ. Результаты химического анализа составов сплава приведены в таблице 1.

Содержание легирующих элементов, газов и примесей определяли по стандартным методикам.

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 3,2 кг для последующего переплава.

Заготовки под образцы ⌀ 16 мм и длиной 150 мм и отливки изделий (сопловых лопаток ГТД) с монокристаллической структурой получали методом точного литья по выплавляемым моделям с использованием затравок заданной кристаллографической ориентации (КГО).

Поверхность заготовок образцов и отливок изделий контролировали путем выявления макроструктуры травлением в смеси соляной кислоты и перекиси водорода. При наличии одного макрозерна вдоль оси образца - отливки считаются монокристаллическими. Монокристаллические отливки, признанные годными по макроструктуре, подвергали 100% рентгеновскому контролю для определения кристаллографической ориентации и отклонений от КГО. Годными по монокристаллической структуре считали отливки с отклонением по КГО≤10°С.

С целью снятия остаточных напряжений и повышения стабильности свойств механически обработанные образцы и детали термообрабатывали на воздухе по следующему режиму: отжиг при температуре 1150±10°С в течение 1 ч, охлаждение на воздухе.

Свойства предлагаемого сплава с различным соотношением компонентов и сплава-прототипа, приведенные в таблице 2, определяли на стандартных образцах при соотношении l/d=5. Критерием являются средние значения из 10 образцов на точку с доверительной вероятностью 0,8.

Из таблицы 2 видно, что свойства предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Al выше, чем свойства известного сплава-прототипа: жаропрочность при температуре 1000°С на базе испытания 100 часов (σ¹⁰⁰⁰ ₁₀₀) - на 10,5-13,0%; жаропрочность при температуре 1000°С на базе испытания 500 часов (σ¹⁰⁰⁰ ₅₀₀) - на 15-20,5%; жаропрочность при температуре 1100°С на базе испытания 100 часов (σ¹¹⁰⁰ ₁₀₀) - на 10-12,0%; жаропрочность при температуре 1100°С на базе испытания 500 часов (σ¹¹⁰⁰ ₅₀₀) на 11,5-23,5%; выход годного по монокристаллической структуре отливок деталей - выше на 25-32,5%.

Использование предлагаемого монокристаллического сплава на основе интерметаллида Ni₃Al повышает надежность изделий и увеличивает ресурс их работы.

Таблица 1
Составы предлагаемого сплава и сплава-прототипа
Состав	Содержание элементов, масс.%
Al	Cr	W	Mo	Ti	Co	Re	С	La	Zr	Y	Ni
1	8,5	5,0	2,5	4,0	0,5	5,0	1,5	0,03	0,010	-	0,02	ост.
2	8,0	5,5	2,0	3,5	0,3	4,5	1,2	0,05	0,0015	-	0,03	ост.
3	9,0	4,5	2,8	4,3	0,7	5,5	1,8	0,001	0,015	-	0,015	ост.
Прототип	8,3	5,8	3,0	5,0	0,5	5,0	1,5	0,01	0,1	0,3	-	ост.

Таблица 2
Свойства предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni3Al с монокристаллической структурой и сплава-прототипа
Свойства	σ1000 100, МПа	σ1000 500, МПа	σ1100 100, МПа	σ1100 500, МПа	выход годного при получении монокристаллической структуры, %
1	260,0	196,0	134,5	93,0	82,5
2	260,0	191,5	135,0	98,0	80,5
3	255,0	201,0	137,5	103,0	75,0
Прототип	230,5	166,5	122,5	83,5	50,0

1. Сплав на основе интерметаллида Ni₃Al с монокристаллической структурой, содержащий алюминий, хром, вольфрам, молибден, титан, кобальт, рений, углерод, лантан, никель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит иттрий, при следующем соотношении компонентов, масс.%:

Al	8,0-9,0
Cr	4,5-5,5
W	2,0-2,8
Мо	3,5-4,3
Ti	0,3-0,7
Co	4,5-5,5
Re	1,2-1,8
С	0,001-0,05
La	0,0015-0,015
Y	0,015-0,03
Ni	остальное

2. Изделие из сплава на основе интерметаллида Ni₃Al с монокристаллической структурой, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п.1.