Сплав на основе интерметаллида ni3al и изделие, выполненное из него

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным жаропрочным сплавам на основе интерметаллида Ni₃Al и изделиям, получаемым методом точного литья, таким как, например, лопатки турбин ГТД различного назначения, для которых основными требованиями являются низкая плотность (≤8000 кг/м³), высокие пределы длительной прочности в интервале температур 900-1200^oС и сопротивление окислению до 1200-1300^oС. Сплав на основе интерметаллида Ni₃Al содержит следующие компоненты, мас.%: Al - 7,8-9,0; Cr - 5,0-6,5; Мо - 3,0-4,0; W - 2,7-4,0; Ti - 0,8-1,2; С - 0,001-0,005; Sn - 0,03-0,05; Zr - 0,05-0,5; Ni - остальное. Патентуется также изделие, выполненное из данного сплава. Техническим результатом изобретения является повышение жаропрочности сплава на основе интерметаллида Ni₃Al в интервале температур 900-1100^oС, жаростойкости при 1200^oС и повышение выхода годного при отливке деталей с монокристаллической структурой из этого сплава. 2 с.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным жаропрочным сплавам на основе интерметаллида Ni₃Al и изделиям, получаемым методом точного литья, таким как, например, лопатки турбин ГТД различного назначения, для которых основными требованиями являются низкая плотность (≤8000 кг/м³), рабочие температуры эксплуатации 900-1200^oС, высокие пределы длительной прочности на базах 10, 100 и 500 ч в вышеуказанном интервале температур и сопротивление окислению до 1200-1300^oС. Большинству этих требований отвечают интерметаллидные сплавы состава Ni₃Al.

Известны сплавы на основе интерметаллида Ni₃Аl, отличающиеся высокой жаростойкостью, удовлетворительной прочностью при температурах 900-1100^oС и низкой плотностью.

Так, например, известен сплав на основе интерметаллида Ni₃Аl состава, мас. %: Аl - 8,0-9,5; Fe - 4,0-6,0; Мо - 0,5-1,5; Hf - 0,5-1,0; Со - 4,0-5,0; В - 0,02-0,04; С - 0,03-0,06, Ni - остальное [1].

Недостатком этого сплава является неудовлетворительная прочность при температурах 1100 и 1200^oС и низкая пластичность при комнатной температуре. Изделия из этого сплава используются для наземных ГТД при температурах эксплуатации до 900^oС.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является сплав на основе интерметаллида Ni₃Аl, имеющий состав, мас. %: Аl - 8,0-9,0; Cr - 5,0-6,8, Мо - 3,0-4,3; W - 2,7-4,0; Ti - 1,3-2,2; С - 0,13-0,18; Sn - 0,03-0,08; Ni - остальное [2].

Недостатком этого сплава является неудовлетворительная жаропрочность в интервале температур 900-1100^oС на базах испытания 100 и 500 ч и недостаточно высокая жаростойкость при 1200^oС.

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

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение жаропрочности сплава на основе интерметаллида Ni₃Аl в интервале температур 900-1100^oС, жаростойкости при 1200^oС и повышение выхода годного при отливке деталей с монокристаллической структурой из этого сплава.

Для достижения поставленной технической задачи предлагается сплав на основе интерметаллида Ni₃Аl, содержащий алюминий, хром, молибден, вольфрам, титан, углерод, олово, цирконий при следующем соотношении компонентов, мас. %: Аl - 7,8-9,0; Cr - 5,0-6,5; Мо - 3,0-4,0; W - 2,7-4,0; 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.

Авторами было установлено, что при уменьшении содержания углерода с 0,13-0,18 до 0,001-0,005 мас.% при одновременном введении в состав циркония для связывания углерода в устойчивые карбиды достигается наибольший эффект повышения жаропрочности сплава в интервале температур 900-1100^oС, жаростойкости при 1200^oС 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 ⊘ 60 мм отбирали стружку на химический анализ. Результаты химического анализа составов сплава приведены в таблице 1.

Содержание легирующих элементов, газов и примесей, таких как сера, фосфор, сурьма, висмут, 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 2 кг для последующего переплава.

Образцы ⊘ 16 мм и длиной 150 мм получали методом направленной кристаллизации в вакууме 1,5÷2,5•10^-3 мм рт.ст. по следующим режимам: температура заливаемого металла - (1560±20)^oC; температура формы - 1540-1560^oС.

Направленная кристаллизация при получении образцов и деталей с качественной монокристаллической структурой осуществлялась одновременно с заливкой жидкого металла в формы, которые вытягивались из кристаллизатора со скоростью 10-12 мм/мин при градиенте температур на фронте кристаллизации 60-200 град/см.

Поверхность образцов и деталей контролировалась путем выявления макроструктуры травлением в смеси соляной кислоты и перекиси водорода. При наличии одного макрозерна вдоль оси образца отливки считаются монокристаллическими, при наличии двух и более зерен без выклиниваний - со столбчатой структурой.

С целью повышения жаропрочности сплава при высоких температурах, а также стабильности свойств механически обработанные образцы и детали термообрабатывали на воздухе по следующему режиму: отжиг при (1150±10)^oС 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 1/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 Ni₃Аl выше, чем свойства известного сплава-прототипа: жаропрочность в интервале температур 900-1100^oС на базах испытания 100 и 500 ч - на 40-60%, жаростойкость при температуре 1200^oС (по привесу при окислении за 100 часов) - на 20-40%; выход годного (деталей с монокристаллической структурой) - в 13-15 раз.

Плотность предлагаемого сплава соответствует уровню плотности сплава-прототипа.

Использование предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Аl повышает надежность деталей, увеличивает ресурс их работы и снижает вес деталей.

Литература 1. Патент 5108700, США, 1992 г.

2. Патент 2088686, Россия, 1995 г.

Формула изобретения

1. Сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, содержащий алюминий, хром, молибден, вольфрам, титан, углерод, олово, отличающийся тем, что он дополнительно содержит цирконий, при следующем соотношении компонентов, мас.%: Аl - 7,8-9,0; Сr - 5,0-6,5; Мо - 3,0-4,0; W - 2,7-4,0; Ti - 0,8-1,2; С - 0,001-0,005; Sn - 0,03-0,05; Zr - 0,05-0,5; Ni - остальное.

2. Изделие из сплава на основе интерметаллида Ni₃Al, отличающееся тем, что выполнено из сплава следующего химического состава, мас.%: Аl - 7,8-9,0; Сr - 5,0-6,5; Мо - 3,0-4,0; W - 2,7-4,0; Ti - 0,8-1,2; С - 0,001-0,005; Sn - 0,03-0,05; Zr - 0,05-0,5; Ni - остальное.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2