Патент на изобретение №2353692

Published by on




РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ



ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА
ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ,
ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ
(19) RU (11) 2353692 (13) C1
(51) МПК

C22C19/05 (2006.01)

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

Статус: по данным на 08.09.2010 – действует

(21), (22) Заявка: 2007142308/02, 16.11.2007

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:

16.11.2007

(46) Опубликовано: 27.04.2009

(56) Список документов, цитированных в отчете о
поиске:
RU 2256716 C1, 20.07.2005. RU 2198233 C2,10.02.2003. RU 2221890 C1, 20.01.2004. RU 2297466 C2, 20.04.2007. RU 2237093 C1, 27.09.2004. RU 2114206 C1, 27.06.1998. RU 2245387 C1, 27.01.2005. FR 2643085 A, 17.08.1990. EP 0184136 A2, 11.06.1986.

Адрес для переписки:

119991, Москва, Ленинский пр-кт, 49, ИМЕТ РАН

(72) Автор(ы):

Поварова Кира Борисовна (RU),
Дроздов Андрей Александрович (RU),
Казанская Надежда Константиновна (RU),
Бунтушкин Вячеслав Петрович (RU),
Базылева Ольга Анатольевна (RU),
Скачков Олег Александрович (RU)

(73) Патентообладатель(и):

Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (РАН) (государственное учреждение) (RU)

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

(57) Реферат:

Изобретение относится к области металлургии, в частности к литейным сплавам на основе интерметаллида Ni3Al и изделиям из них, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям. Сплав содержит алюминий, хром, вольфрам, молибден, титан, углерод, цирконий, лантан, никель и технологические примеси при следующем соотношении компонентов, мас.%: алюминий 7,8-9,04, хром 5,0-6,5, вольфрам 2,7-4,0, молибден 3,0-4,0, титан 0,8-1,5, углерод 0,001-0,02, цирконий 0,05-0,5, лантан 0,016-0,25, никель и технологические примеси – остальное. В качестве технологических примесей он содержит (в мас.%) железо не более 0,3, серу и фосфор не более 0,005 каждого. Повышается жаростойкость при 1200°С и долговечность изделий в диапазоне рабочих температур 1000-1100°С при сохранении высокой жаропрочности и технологической пластичности. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к литейным сплавам на основе интерметаллида Ni3Al и изделиям из них, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям, и может быть использовано для изготовления деталей авиационных газотурбинных двигателей, длительно работающих в окисленной атмосфере при больших нагрузках, преимущественно бандажных полок лопаток, вкладышей сопловых аппаратов и т.д..

Из уровня техники известен сплав на основе интерметаллида Ni3Al и изделие, выполненное из него, содержащий, мас.%:

Al 8,5-9,5
Cr 4,8-5,5
W 2,6-3,2
Мо 2,5-3,5
Ti 1,0-1,6
С 0,001-0,005
La 0,0015-0,015
Re 1,0-3,5
Никель и технологические примеси остальное

(RU 2003123028, опубликованный 20.01.2005).

Сплав обладает хорошей жаропрочностью, но низкой жаростойкостью при рабочих температурах, в связи с чем изделия, изготовленные из сплава, имеют ограниченный ресурс работы.

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

Al 8-9
Cr 5,0-6,8
W 2,7-4,0
Мо 3,0-4,3
Ti 1,3-2,2
С 0,13-0,18
Sn 0,03-0,08
Ni остальное,

(RU 2088686, опубликован 27.08.1997).

Недостатком этого сплава является низкая прочность и недостаточные жаропрочность и жаростойкость в интервале температур 650-1000°С.

Изделия из сплава, например бандажные полки ГТД, имеют низкий выход годного и недостаточную долговечность.

Наиболее близким аналогом к предложенному изобретению является сплав на основе интерметаллида Ni3Al, содержащий, мас.%:

Al 7,8-9,04
Cr 5,0-6,5
W 2,7-4,0
Мо 3,0-4,0
Ti 0,8-1,5
С 0,001-0,05
Sn 0,03-0,08
Zr 0,05-0,50
Ni остальное,

(RU 2198233, опубликован 10.02.2003).

Сплав обладает высокими жаропрочными свойствами, но низкой жаростойкостью при температуре 1200°С и долговечностью при рабочих температурах 1000-1100°С.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в разработке сплава, жаростойкого при температурах порядка 1200°С и долговечного при рабочих температурах 1000-1100°С.

Техническим результатом изобретения является повышение жаростойкости сплава при температурах 1200°С и долговечности изделий в диапазоне рабочих температур 1000-1100°С при сохранении высокой жаропрочности и технологической пластичности в указанных интервалах температур.

Технический результат достигается тем, что литейный сплав на основе интерметаллида Ni3Al, содержащий алюминий, хром, вольфрам, молибден, титан, углерод и цирконий, дополнительно содержит лантан при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Алюминий 7,8-9,04
Хром 5,0-6,5
Вольфрам 2,7-4,0
Молибден 3,0-4,0
Титан 0,8-1,5
Углерод 0,001-0,02
Цирконий 0,05-0,5
Лантан 0,016-0,25
Никель и технологические примеси остальное,

при этом содержание технологических примесей в сплаве, таких как железо, фосфор, сера, ограничено следующими значениями: железо не более 0,3 мас.%; сера и фосфор не более 0,005 мас.% каждого.

Технический результат достигается также тем, что изделия выполняют из сплава заявленного состава.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Лантан является активным по отношению к кислороду элементом, образующим термодинамически стабильный оксид La3О3. Экспериментально установлено, что введение лантана в заявленных пределах в литейный сплав на основе интерметаллида Ni3Al системы Ni-Al-Cr-W-Mo приводит к формированию на поверхности сплава многослойной окисной пленки с промежуточным слоем LaCr2О3, отличающимся малой скоростью роста, что приводит к уплотнению оксидной пленки, улучшению ее адгезии и снижению проникновения кислорода в основу металла.

Снижение содержания лантана ниже 0,016 мас.% не позволяет эффективно «залечивать» вакантные места в кристаллической решетке оксидов. Такого количества недостаточно для формирования сплошного промежуточного слоя сложного оксида, в результате чего снижается плотность оксидной пленки и ухудшается жаростойкость.

Лантан при содержании его в сплаве заявленного состава в количестве 0,016-0,25 мас.% повышает жаростойкость сплава при 1200°С и долговечность при рабочих температурах 1000-1100°С, механизм которых, как установили авторы, заключается в том, что лантан образует нановыделения карбида лантана La2С3 на дислокациях в -твердом растворе на основе никеля, которые блокируют движение дислокации, и нановыделения лантаноидов Al2La и Ni3La2, которые стабилизируют межфазные границы – и ‘-фаз.

При содержании лантана в сплаве меньше 0,016 мас.% количества выделяющегося карбида лантана La2С3 недостаточно для блокирования дислокации, а лантаноидов – для стабилизации границ, в результате чего снижается жаропрочность и долговечность сплава. Увеличение содержания лантана в сплаве более 0,25 мас.% нецелесообразно, поскольку объемная доля дисперсных частиц возрастает, снижается расстояние между ними, что приводит к возрастанию прочностных характеристик и значительному снижению пластичности в интервале рабочих температур.

Ограничение содержания технологических примесей, таких как железо, сера и фосфор, объясняется следующим.

Увеличение содержания железа более 0,3 мас.% ухудшает жаропрочность сплава заявленного состава при рабочих температурах 1000-1100°С, а фосфор и сера при содержании в примесном количестве более 0,005 мас.% снижает технологические свойства в интервале рабочих температур.

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 D=50 мм отбирали стружку на химический анализ. Результаты анализа 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.

Образцы D=16 мм и длиной 150 мм получали методом направленной кристаллизации в вакууме 1,5-2,5×10-3 мм рт.ст. Поверхность образцов и деталей контролировалась путем выявления микроструктуры в смеси соляной кислоты и перекиси водорода. При наличии одного макрозерна вдоль оси образца отливка считается монокристаллической, при наличии двух и более зерен без выклинивания – столбчатой структурой.

Таблица 1.
Составы предлагаемого сплава и прототипа.
сплава Содержание элементов, мас.%
Al Cr W Mo Ti С Sn Zr La Ni
I 7,8 5,0 4,0 3,0 0,8 0,001 0,5 0,016 Осн
II 8,4 5,7 3,3 3,5 1,2 0,01 0,24 0,10 Осн
III 9,0 6,5 2,7 4,0 1,5 0,02 0,05 0,25 Осн
Прототип 8,5 5,7 3,2 3,5 1,2 0,02 0,05 0,25 Осн

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

Таблица 2.
Свойства предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni3Al и сплава-прототипа.
Свойства I II III Прототип
Привес образцов при окислении на воздухе за 100 ч при температуре 1200°С, г/м2 15-18 12-15 11-15 30-35
Время до разрушения при 1000°С и напряжении 150 МПа, ч 224 370 257 127
Время до разрушения при 1100°С и напряжении 100 МПа, ч 130 150 138 94
Плотность, кг/м3 7,934 7,910 7,860 7,936

Из таблицы 2 видно, что свойства предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni3Al существенно выше, чем известного. Привес окисления на воздухе за 100 часов при 1200°С у сплава-прототипа превышает в 2-3 раза привес предлагаемого сплава. Долговечность предлагаемого сплава до разрушения выше, чем у сплава-прототипа, при 1000°С на 76-80%, а при 1100°С – на 40-60%.

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

Формула изобретения

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

алюминий 7,8-9,04
хром 5,0-6,5
вольфрам 2,7-4,0
молибден 3,0-4,0
титан 0,8-1,5
углерод 0,001-0,02
цирконий 0,05-0,5
лантан 0,016-0,25
никель и технологические примеси остальное

при этом он содержит такие технологические примеси, как железо в количестве не более 0,3 мас.%, фосфор и серу не более 0,005 мас.% каждого.

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

Categories: BD_2353000-2353999