патент
№ RU 2516215
МПК C22C19/05

СПЛАВ НА ОСНОВЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДА NiAl С МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО

Авторы:
Базылева Ольга Анатольевна Горюнов Александр Валерьевич Каблов Евгений Николаевич
Все (4)
Номер заявки
2012157608/02
Дата подачи заявки
27.12.2012
Опубликовано
20.05.2014
Страна
RU
Как управлять
интеллектуальной собственностью
Реферат

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам на основе интерметаллида NiAl с монокристаллической структурой и выполненным из них изделиям, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям, таким как рабочие и сопловые лопатки, блоки сопловых лопаток и другие детали газотурбинных двигателей авиационной, автомобильной промышленности. Сплав на основе интерметаллида NiAl с монокристаллической структурой имеет следующий химический состав, 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, C 0,001-0,05, La 0,0015-0,015, Y 0,015-0,03, Ni - остальное. Сплав характеризуется повышенной жаропрочностью при температурах 1000 и 1100°С на базах испытания 100 и 500 часов. Использование монокристаллического сплава на основе интерметаллида NiAl повышает надежность изделий и увеличивает ресурс их работы. 2 н.п. ф-лы, 2 табл., 3 пр.

Формула изобретения

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.%:
Al8,0-9,0
Cr4,5-5,5
W2,0-2,8
Мо3,5-4,3
Ti0,3-0,7
Co4,5-5,5
Re1,2-1,8
С0,001-0,05
La0,0015-0,015
Y0,015-0,03
Niостальное
2. Изделие из сплава на основе интерметаллида Ni3Al с монокристаллической структурой, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п.1.

Описание

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.%:

Al7,0-20,0
W0,5-10,0
Mo0,5-9,0
Ti2,0-15,0
В0-0,2
Mn0-0,5
Si0-0,5
Hf0-0,5
Niостальное

(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.%:

Al7,8-9,04
Cr5,0-6,5
W2,7-4,0
Mo3,0-4,0
Ti0,8-1,5
С0,001-0,02
La0,016-0,25
Zr0,05-0,5
Niостальное

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.%:

Al8,0-9,0
Cr4,5-5,5
W1,8-2,5
Mo4,5-5,5
Ti0,6-1,2
С0,01-0,08
Со3,5-4,5
La0,0015-0,015
Sc0,015-0,03
Niостальное

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.%:

Al7,7-8,7
Cr5,0-6,0
W2,5-3,5
Mo4,5-5,5
Ti0,3-0,8
С0,001-0,02
Со4,0-6,0
Re1,2-1,8
La0,002-0,200
Zr0,05-0,5
Niостальное

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.%:

Al8,0-9,0
Cr4,5-5,5
W2,0-2,8
Mo3,5-4,3
Ti0,3-0,7
Co4,5-5,5
Re1,2-1,8
С0,001-0,05
La0,0015-0,015
Y0,015-0,03
Niостальное

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 (σ1000100) - на 10,5-13,0%; жаропрочность при температуре 1000°С на базе испытания 500 часов (σ1000500) - на 15-20,5%; жаропрочность при температуре 1100°С на базе испытания 100 часов (σ1100100) - на 10-12,0%; жаропрочность при температуре 1100°С на базе испытания 500 часов (σ1100500) 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
СоставСодержание элементов, масс.%
AlCrWMoTiCoReСLaZrYNi
18,55,02,54,00,55,01,50,030,010-0,02ост.
28,05,52,03,50,34,51,20,050,0015-0,03ост.
39,04,52,84,30,75,51,80,0010,015-0,015ост.
Прототип8,35,83,05,00,55,01,50,010,10,3-ост.

Таблица 2
Свойства предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni3Al с монокристаллической структурой и сплава-прототипа
Свойстваσ1000100, МПаσ1000500, МПаσ1100100, МПаσ1100500, МПавыход годного при получении монокристаллической структуры, %
1260,0196,0134,593,082,5
2260,0191,5135,098,080,5
3255,0201,0137,5103,075,0
Прототип230,5166,5122,583,550,0

Как компенсировать расходы
на инновационную разработку
Похожие патенты