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 литейным сплавам на основе интерметаллида Ni₃Al и изделиям, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям с дендритной столбчатой (направленной кристаллизованной) структурой, таким как, например, сопловые лопатки, блоки сопловых лопаток и другие детали газотурбинных двигателей авиационной и автомобильной промышленности.

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

Al	2,4-6,5
V	8,1-15,5
Nb	0,8-8,6
B	0,005-0,05
Ni	остальное

(Патент США 8197618)

Недостатком этого сплава является хрупкость при комнатной температуре и неудовлетворительная пластичность в диапазоне температур 100-800°С.

Изделия из этого сплава используются для наземных ГТД при температурах эксплуатации до 1100°С.

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

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

(Патент РФ №2405851)

Недостатком известного сплава является неудовлетворительная жаропрочность при температурах 1000 и 1050°C на базах испытания 100 и 500 часов.

Недостатком изделий, выполненных из известного сплава, является низкий выход годного при отливке изделий с дендритной столбчатой (направленной кристаллизованной) структурой.

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

Al	8,0-9,1
Cr	5,5-6,5
W	2,5-3,5
Mo	4,5-5,5
Ti	0,3-0,8
С	0,001-0,01
La	0,1-0,3
Zr	0,05-0,5
Hf	0,1-0,5
Та	0,1-1,0

Ni и технологические примеси - остальное

и изделие, выполненное из него

(Патент РФ №2351673)

Сплав обладает недостаточной пластичностью при комнатной температуре.

Изделия, выполненные из этого сплава, имеют низкий выход годного при отливке с дендритной столбчатой (направленной кристаллизованной) структурой.

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

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
Co	3,5-4,5
С	0,01-0,08
La	0,0015-0,015
Sc	0,015-0,03
Ni	остальное

и изделие, выполненное из него

(Патент РФ №2349663)

Недостатком сплава-прототипа является недостаточно высокая жаропрочность при температурах 1000 и 1050°С на базах испытания 100, 500 и 1000 часов и недостаточный выход годного.

Изделия из этого сплава имеют ограниченный ресурс эксплуатации.

Технической задачей изобретения является создание сплава на основе интерметаллида Ni₃Al, обладающего повышенной жаропрочностью при температурах 1000 и 1050°С на базах испытания 100, 500 и 1000 часов и повышение выхода годного при отливке изделий с дендритной столбчатой (направленной кристаллизованной) структурой.

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

Al	8,4-9,0
Cr	4,5-5,5
W	3,0-3,8
Mo	3,0-3,8
Ti	0,3-0,8
Co	6,5-7,5
С	0,02-0,08
La	0,0015-0,015
Hf	0,3-0,8
Ni	остальное

и изделие, выполненное из него

Сплав может содержать в виде примесей следующие элементы, мас.%: 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, увеличение содержания в сплаве вольфрама приводит к упрочнению γ′ и γ-твердого раствора, кобальта - к упрочнению γ-твердого раствора и повышению пластичности при комнатной температуре, технологичности, а, следовательно, и выхода годного. При введении в состав гафния, действующего как карбидообразующий элемент, наблюдается образование мелкодисперсной карбидной фазы. При введении в состав гафния ниже 0,3 масс.% он будет выполнять роль только раскислителителя, что недопустимо при заявленном содержании других легирующих элементов, в частности, углерода. При повышении содержания гафния более 0,8 масс.% возможно образование легкоплавкого соединения Ni₅Hf (Тпл.=1190°С).

При заявленном содержании и соотношениях компонентов в предлагаемом сплаве на основе интерметаллида Ni₃Al достигается наибольший эффект повышения жаропрочности сплава при температурах 1000 и 1050°С на базах испытания 100, 500 и 1000 часов и повышения выхода годного при отливке изделий с дендритной столбчатой 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 изделия в виде модельных сопловых лопаток газотурбинных двигателей с дендритной столбчатой структурой получали методом направленной кристаллизации в вакууме.

Выход годного по дендритной столбчатой структуре заготовок образцов и отливок изделий контролировали путем выявления макроструктуры травлением в смеси соляной кислоты и перекиси водорода. Годными по макроструктуре отбирались отливки, имеющие 2-3 зерна с границами зерен, ориентированными преимущественно вдоль оси отливки.

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 являлись 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 сплава-прототипа: жаропрочность при температуре 1000°C на базе испытания 100 часов (σ¹⁰⁰⁰ ₁₀₀) - на 11,0-18,5%; жаропрочность при температуре 1000°C на базе испытания 500 часов (σ¹⁰⁰⁰ ₅₀₀) - на 17,5-29,5%; жаропрочность при температуре 1000°С на базе испытания 1000 часов (σ¹⁰⁰⁰ ₁₀₀₀) - на 50,0-58,0%; жаропрочность при температуре 1050°C на базе испытания 100 часов (σ¹⁰⁵⁰ ₅₀₀) - на 10,5-24,5%; жаропрочность при температуре 1050°C на базе испытания 500 часов (σ¹⁰⁵⁰ ₅₀₀) - на 22,5-30,5%; жаропрочность при температуре 1050°C на базе испытания 1000 часов (σ¹⁰⁵⁰ ₁₀₀₀) - на 40-50%; выход годного отливок изделий по дендритной столбчатой структуре на 12,0-17,0%.

Использование предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Al повысит надежность изделий и увеличит ресурс их работы.

Таблица 1
Составы предлагаемого сплава и сплава-прототипа
Состав	Содержание элементов, масс.%
Al	Cr	W	Mo	Ti	Co	С	La	Sc	Hf	Ni
1	8,7	5,0	3,4	3,4	0,6	7,0	0,05	0,010	-	0,5	ост.
2	8,4	5,5	3,8	3,0	0,8	6,5	0,02	0,0015	-	0,3	ост.
3	9,0	4,5	3,0	3,8	0,3	7,5	0,08	0,015	-	0,8	ост.
Прототип	8,5	5,0	2,1	5,0	0,9	4,0	0,05	0,010	0,02	-	ост.

Таблица 2
Свойства предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni3Al и сплава-прототипа
Свойства	σ1000 100, МПа	σ1000 500, МПа	σ1000 1000, МПа	σ1050 100, МПа	σ1050 500, МПа	σ1050 1000, кгс/мм2	Выход годного при получении дендритной столбчатой структуры, %
1	152,0	103,0	88,5	110,0	78,5	68,5	90,0
2	157,0	108,0	93,0	103,0	83,5	73,5	87,5
3	147,0	98,0	88,5	98,0	78,5	68,5	85,0
Прототип	132,5	83,5	59,0	88,5	64,0	49,0	73,0

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

Al	8,4-9,0
Cr	4,5-5,5
W	3,0-3,8
Mo	3,0-3,8
Ti	0,3-0,8
Co	6,5-7,5
С	0,02-0,08
La	0,0015-0,015
Hf	0,3-0,8
Ni	остальное

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