Патент на изобретение №2256714

(54) ЖАРОСТОЙКИЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДА Ni₃Al И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО

(57) Реферат:

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным жаростойким сплавам на основе интерметаллида Ni₃Al и изделиям, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям с монокристаллической структурой, таким как, например, рабочие и сопловые лопатки, проставки соплового аппарата и другие детали газотурбинных двигателей авиационной промышленности. Предложены сплав на основе Ni₃Al и изделие, выполненное из него. Сплав содержит алюминий, хром, вольфрам, молибден, титан, цирконий, углерод, при этом он дополнительно содержит тантал и лантан, при следующем соотношении компонентов, мас.%: Al 9,2-9,6, Cr 4,2-4,8, W 2,7-3,2, Мо 2,8-3,2, Ti 1,0-1,4, С 0,001-0,02, Zr 0,05-0,5, Та 0,1-0,5, La 0,0015-0,015, Ni – остальное. Технический результат – разработка сплава и изделия, выполненного из него, обладающих повышенной кратковременной прочностью при температурах 1150-1200°С и жаропрочностью при 1200-1250°С с рабочей температурой до 1300°С. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным жаростойким сплавам на основе интерметаллида Ni₃Al и изделиям, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям с монокристаллической структурой, таким как, например, рабочие и сопловые лопатки, проставки соплового аппарата и другие детали газотурбинных двигателей авиационной и автомобильной промышленности.

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

Аl 10-12

Fe 14,5-17,5

Mo 2,7-4,0

Hf 0,9-1,7

С 0,01-0,06

Се 0,005

Ni остальное

Патент РФ №2603902.

Недостатком этого сплава является невысокая рабочая температура (900°С) и склонность к трещинообразованию при увеличении количества теплосмен 100 циклов.

Изделия из этого сплава используются, например, для проставок соплового аппарата ГТД с ограниченным ресурсом работы при температурах эксплуатации до 900°С.

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

Аl 9,2-9,8

Cr 5,5-6,5

W 3,0-4,0

Mo 2,0-3,0

Ti 1,3-2,0

Co 2,0-3,0

С 0,001-0,02

La 0,0015-0,015

Се 0,003-0,025

Ni остальное

и изделие, выполненное из него.

Патент РФ №2165472.

Недостатком этого сплава является низкая прочность и недостаточная жаропрочность в интервале температур 850-1000°С.

Изделия из этого сплава, например рабочие лопатки ГТД, имеют короткий ресурс работы, а также ограничена номенклатура отливаемых деталей.

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

Аl 8,0-9,5

Mo 0,5-1,5

Co 4,0-5,0

Fe 4,0-6,0

Hf 0,5-1,0

В 0,02-0,04

С 0,03-0,06

Ni остальное

Патент РФ №2034085.

Недостатком этого сплава является низкая прочность и низкая жаропрочность в интервале температур 800-1200°С.

Изделия из этого сплава, например детали камер сгорания, имеют ограниченный ресурс работы, а также ограниченную номенклатуру изготавливаемых деталей.

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

Аl 7,8-9,0

Cr 5,0-6,5

W 2,7-4,0

Mo 3,0-4,0

Ti 0,8-1,2

С 0,001-0,005

Sn 0,03-0,05

Zr 0,05-0,5

Ni остальное

и изделие, выполненное из него.

Патент РФ №2198233.

Недостатком этого сплава является пониженная кратковременная прочность при температурах 1150-1200°С, недостаточная жаропрочность в интервале температур 1000-1200°С и жаростойкость при температуре 1200-1250°С; сплав-прототип не может работать при температуре до 1300°С.

Изделия из этого сплава, например сопловые лопатки, блоки сопловых лопаток ГТД, имеют низкий выход годного и недостаточную долговечность.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка жаростойкого сплава и изделий, выполненных из него, обладающих повышенными кратковременной прочностью при температурах 1150-1200°С и жаропрочностью при температурах 1000-1200°С, высокой жаростойкостью при температурах 1200-1250°С с рабочей температурой до 1300°С.

Для достижения поставленной технической задачи предлагается жаростойкий сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, содержащий алюминий, хром, вольфрам, молибден, титан, цирконий, углерод, который дополнительно содержит тантал и лантан при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Аl 9,2-9,6

Cr 4,2-4,8

W 2,7-3,2

Mo 2,8-3,2

Ti 1,0-1,4

Zr 0,05-0,5

С 0,001-0,02

Та 0,1-0,5

La 0,0015-0,015

Ni остальное.

и изделие, выполненное из него.

Авторами было установлено, что при дополнительном введении в состав сплава тантала и лантана при заявленных соотношениях компонентов наблюдается уплотнение оксидной пленки и улучшается ее адгезия с основным материалом, что при высоком содержании алюминия в сплаве и, соответственно в оксидной пленке, повышает сопротивление сплава высокотемпературному окислению и обеспечивает высокую жаростойкость сплава при 1200-1250°С. Упрочнение ‘-фазы и -твердого раствора танталом и большой атомный радиус лантана способствуют снижению скорости диффузии при высоких температурах как в объеме зерна, так и по границам, что в свою очередь обеспечивает повышенные прочность и жаропрочность сплава при температурах 1000-1200°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 60 мм отбирали стружку на химический анализ. Результаты химического анализа составов предлагаемого жаростойкого сплава и сплава-прототипа 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 жаростойкого сплава с различным соотношением компонентов и сплава-прототипа приведены в таблице 2.

Из таблицы 2 видно, что свойства предлагаемого жаростойкого сплава на основе интерметаллида Ni₃Al выше, чем свойства сплава-прототипа.

Кратковременная прочность при температуре 1150°С (_B ¹¹⁵⁰) на 24,9-29,1% у предлагаемого сплава выше чем у сплава-прототипа; при температуре 1200°С (_в ¹²⁰⁰) – на 19,0-25,0%; при температуре 1300°С предлагаемый сплав кратковременно работает и _B ¹³⁰⁰ составляет 6,5-7,0 кгс/мм².

Жаропрочность по пределу длительной прочности при температуре 1000°С на базе 1000 часов (₁₀₀₀ ¹⁰⁰⁰) y предлагаемого сплава на 75,0-87,5% выше чем у сплава-прототипа; при температуре 1100°С на базе 500 часов (₅₀₀ ¹¹⁰⁰) – на 11,1-18,0%; при температуре 1200°С на базе 500 часов (₅₀₀ ¹²⁰⁰) y предлагаемого сплава на 30,4-39,1% выше чем у сплава-прототипа.

Жаростойкость по привесу при окислении на воздухе за 500 часов при температуре 1200°С на 18,2-30,0% и жаростойкость по привесу при окислении на воздухе за 500 часов при температуре 1250°С на 48,5-53,0% у предлагаемого сплава лучше, чем у сплава-прототипа.

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

Таблица 2
Свойства	I	II	III	прототип
В 1150, кгс/мм2	36,0	35,6	36,8	28,5
В 1200, кгс/мм	24,6	25,0	23,8	20,0
В 1300, кгс/мм2	6,5	7,0	7,0	–
1000 1000, кгс/мм2	14,5	14,0	15,0	8,0
500 1100, кгс/мм2	8.5	8,2	8,0	7,2
500 1200, кгс/мм2	3,1	3,0	3,2	2,3
Жаростойкость по привесу при окислении на воздухе за 500 часов при 1200°С, г/м2	21	20	22	26
Жаростойкость по привесу при окислении на воздухе за 500 часов при 1250°С, г/м2	35	34	35	52

Формула изобретения

1. Жаростойкий сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, содержащий алюминий, хром, вольфрам, молибден, титан, цирконий, углерод, отличающийся тем, что он дополнительно содержит тантал и лантан при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Аl 9,2-9,6

Cr 4,2-4,8

W 2,7-3,2

Мо 2,8-3,2

Ti 1,0-1,4

Zr 0,05-0,5

С 0,001-0,02

Та 0,1-0,5

La 0,0015-0,015

Ni Остальное

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