Сплав на основе интерметаллида ni3al и изделие, выполненное из него

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным интерметаллидным сплавам на основе Ni₃Al и изделиям, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям. Сплав предназначен для литых деталей ГТД, эксплуатируемых при высоких тепловых и силовых нагрузках, преимущественно для рабочих лопаток газовых турбин авиационного и ракетного назначения. Предлагается сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, содержащий алюминий, хром, молибден, вольфрам, титан, углерод, который дополнительно содержит кобальт, рений, тантал и лантан при следующем соотношении компонентов, мас.%: Al 7,7-8,7; Cr 5,0-6,0; W 2,5-3,5; Мо 4,5-5,5; Ti 0,3-0,8; С 0,005-0,01; Со 3,5-, 5; Re 1,2 - 1,8; Та 0,1-1,0; La 0,015-0,025; Ni остальное, и изделие, выполненное из него. Использование предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Al повышает надежность изделий и увеличивает их ресурс работы в 2 раза. 1 з.п.ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным интерметаллидным сплавам на основе Ni₃Al и изделиям, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям. Сплав предназначен для литых деталей ГТД, эксплуатируемых при высоких тепловых и силовых нагрузках, преимущественно для рабочих лопаток газовых турбин авиационного и ракетного назначения.

Известен сплав на основе интерметаллида Ni₃Аl, химического состава ат.%: Аl - 19-21,5 Fe - 6-12 Hf (или Zr) - 0,3-1,5 В - 0,08-0,3 Ni - Остальное (патент США 4612165) Недостатками этого сплава являются не превышающая 850^oС рабочая температура и склонность к трещинообразованию во время горячей обработки.

Изделия из этого сплава, например, элементы камер сгорания имеют ограниченный ресурс работы, что связано с низкой трещиностойкостью.

Известен сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, химического состава, ат%: Аl - 17-20 Fe - 7-9 Hf и/или Zr - 0,1-1,0
В - 0,05-0,2
Cr - 1,5-8
Се - 0,001-0,004
Ni - Остальное (патент США 4731221)
Недостатками этого сплава являются низкая жаропрочность при высоких температурах и недостаточно высокая жаростойкость при температуре 1200^oС.

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

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является сплав на основе интерметаллида Ni₃Аl, имеющий химический состав, мас.%:
Аl - 8-9
Сr - 5-6,8
W - 2,7-4,0
Мо - 3-4,3
Ti - 1,3-2,2
С - 0,13-0,18
Sn - 0,03-0,08
Ni - Остальное (патент РФ 2088686)
Недостатком этого сплава является неудовлетворительная жаропрочность в интервале температур 900-1100^oС на базах испытания 100, 500 и 1000 ч.

Изделия из этого сплава, например, рабочие лопатки ГТД имеют короткий ресурс работы.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка сплава и изделия, выполненного из него, обладающих повышенной жаропрочностью при температурах до 1100^oС.

Для достижения поставленной технической задачи предлагается сплав на основе интерметаллида Ni₃Аl, содержащий алюминий, хром, молибден, вольфрам, титан, углерод, который дополнительно содержит кобальт, рений, тантал и лантан при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Al - 7,7-8,7
Cr - 5-6
W - 2,5-3,5
Мо - 4,5-5,5
Ti - 0,3-0,8
С - 0,005-0,01
Со - 3,5-4,5
Re - 1,2-1,8
Та - 0,1-1,0
La - 0,015-0,025
Ni - Остальное
и изделие, выполненное из него.

Авторами было установлено, что при заявленных соотношениях компонентов в предлагаемом сплаве на основе интерметаллида Ni₃Аl и дополнительном введении кобальта, рения, тантала и лантана наблюдается упрочнение выделившейся в объеме зерен γ-фазы, что снижает скорость диффузии при высоких температурах и создает оптимальный объем этой фазы, что в свою очередь обеспечивает удовлетворительную пластичность и высокую жаропрочность сплава.

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 химанализа 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.

Поверхность образцов и деталей контролировалась путем выявления макроструктуры 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.

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

Из таблицы 2 видно, что свойства предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Аl выше, чем свойства известного. Жаропрочность при температуре 900^oС повышается на 21-25% на базе испытания 100 ч, на 17-35% - на базе испытания 500 ч и на 120-150% - на базе испытания 1000 ч; при температуре 1000^oС повышается на 39-44% на базе испытания 100 ч, на 75-83% - на базе испытания 500 ч и на 80-90% - на базе испытания 1000 ч; при температуре 1100^oС повышается на 18-27% на базе испытания 100 ч, на 20-46% - на базе испытания 500 ч и на 50-80% - на базе испытания 1000 ч.

Использование предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Аl повышает надежность изделий и увеличивает их ресурс работы в 2 раза.

Формула изобретения

1. Сплав на основе интерметаллида Ni₃Аl, содержащий алюминий, хром, молибден, вольфрам, титан, углерод, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кобальт, рений, тантал и лантан при следующем соотношении компонентов, маc.%: Аl - 7,7-8,7; Cr - 5,0-6,0; W - 2,5-3,5; Мо - 4,5-5,5; Ti - 0,3-0,8; С - 0,005-0,01; Со - 3,5-4,5; Re - 1,2-1,8; Та - 0,1-1,0; La - 0,015-0,025; Ni - остальное.

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

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2