Сплав на основе интерметаллида ni3al и изделие, выполненное из него
Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным сплавам на основе интерметаллида Ni3Al и изделиям, получаемым методами гранульной металлургии, преимущественно рабочих и сопловых лопаток высокотемпературных газотурбинных двигателей авиационно-космического, транспортного и энергетического назначения. Предложен сплав на основе интерметаллида Ni3Al, содержащий, мас.%: алюминий 8,0-9,0, хром 4,0-5,0, вольфрам 4,5-5,5, молибден 1,8-3,2, титан 1,2-2,0, тантал 1,2-2,2, углерод 0,03-0,09, эрбий 0,02-0,08, никель остальное, и изделие, выполненное из него. Предлагаемый сплав найдет применение для изготовления элементов камер сгорания, роторов, дисков с лопатками высокотемпературных газотурбинных двигателей авиационно-космического, транспортного и энергетического назначения. Технический результат - повышение кратковременной прочности при комнатной температуре, жаропрочности при температурах 1200 и 1250°С на базе испытания 100 часов, жаростойкости при температурах 1200 и 1250°С. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным сплавам на основе интерметаллида Ni3Al и изделиям, получаемым методами гранульной металлургии, преимущественно элементы камер сгорания, ротора, диски с лопатками высокотемпературных газотурбинных двигателей авиационно-космического, транспортного и энергетического назначения.
Возрастающие требования к материалам высоконагруженных авиационных и космических двигателей не могут быть удовлетворены без создания жаропрочных сплавов на никелевой основе, способных длительно работать в интервале температур 800-1050°С. За счет подбора определенного соотношения легирующих компонентов - вольфрама, хрома, титана, алюминия и других - удалось получить сплавы с высокими жаропрочными свойствами. При этом необходимо отметить, что чем выше рабочая температура на материале лопатки турбины, тем выше мощность газотурбинного двигателя.
Одним из основных направлений повышения жаропрочности рассматриваемых сплавов являлось повышение в их составе доли тугоплавких легирующих металлов, прежде всего вольфрама, который дополнительно упрочняет твердый раствор и тем самым замедляет диффузионные процессы при повышенных температурах. Известные зарубежные сплавы содержат 12-13% W (сплавы MAR-M200 и ММ-009), отечественные сплавы содержат 10-12% W (сплавы ЖС6У, ЖС6Ф, ЖС3О). Однако при введении в сплавы повышенного количества вольфрама заметно возрастает их удельный вес (плотность). Сплавы и изготовленные из них изделия имеют повышенную массу, в результате возрастают центробежные нагрузки при работе газотурбинного двигателя и может произойти преждевременное разрушение элементов конструкции двигателей, вызванного циклическими, статическими, ударными и другими нагрузками.
Очевидно, что работоспособность материала лопатки современного газотурбинного двигателя определяется не только уровнем жаропрочности и других механических свойств, но также зависит от его физических и технологических свойств.
Известен никелевый жаропрочный сплав, имеющий следующий химический состав, мас.%:
| Хром | 5,0-10,0 |
| Кобальт | 5,0-10,0 |
| Алюминий | 5,0-7,0 |
| Вольфрам | 3,0-10,0 |
| Молибден | 0-2,0 |
| Тантал | 3,0-8,0 |
| Рений | 0-6,0 |
| Титан | 0-2,0 |
| Гафний | 0-0,5 |
| Углерод | 0-0,07 |
| Иттрий | 0-0,075 |
| Бор | 0-0,015 |
| Никель | Остальное |
Патент США US №6074602, кл. С 22 С 19/05.
Недостатком этого сплава и изделия с монокристаллической структурой, например лопатки газовой турбины из этого сплава, являются недостаточно высокие характеристики длительной прочности в интервале рабочих температур 900-1100°С.
Известен сплав на основе никеля, имеющий химический состав, мас.%:
| Алюминий | 8,0-9,0 |
| Хром | 5,0-6,0 |
| Молибден | 2,5-3,5 |
| Вольфрам | 4,5-5,5 |
| Титан | 1,2-2,0 |
| Гафний | 0,4-0,6 |
| Железо | 0,5-1,5 |
| Кремний | 0,4-1,2 |
| Углерод | 0,12-0,15 |
| Иттрий | 0,3-0,4 |
| Цирконий | 0,005-0,04 |
| Никель | Остальное |
Патент РФ №2215054, С 22 С 19/05.
Недостатком этого сплава является недостаточная жаростойкость при температурах 1100 и 1250°С.
Изделия, выполненные из этого сплава, преимущественно конструкционные детали, длительно работающие при температурах 1100-1250°С при высоких напряжениях и значительном числе теплосмен, имеют неудовлетворительный ресурс работы.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения, взятым за прототип, является сплав на основе интерметаллида Ni3Al и изделие, выполненное из него, имеющие химический состав, мас.%:
| Алюминий | 8,0-9,0 |
| Хром | 5,0-6,0 |
| Молибден | 2,5-4,5 |
| Вольфрам | 2,0-4,0 |
| Титан | 1,0-2,0 |
| Углерод | 0,007-0,04 |
| Гафний | 0,4-0,6 |
| Железо | 0,5-1,5 |
| Кремний | 0,4-1,2 |
| Никель | Остальное |
Патент РФ №1607422, С 22 С 19/03.
Недостатком известного сплава является неудовлетворительная кратковременная прочность при комнатной температуре, недостаточная жаропрочность при температурах 1200 и 1250°С на базе испытания 100 часов, недостаточная жаростойкость при температурах 1200 и 1250°С.
Изделия из этого сплава, например, элементы камер сгорания, створок регулируемого сопла и других деталей ГТД, используемых в авиационной технике, а также в транспортном машиностроении, имеют небольшой ресурс работы.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание сплава на основе интерметаллида Ni3Al методом гранульной металлургии и изделия из этого сплава, обладающих повышенными кратковременной прочностью при комнатной температуре, жаропрочностью при температурах 1200 и 1250°С на базе испытания 100 часов, жаростойкостью при температурах 1200 и 1250°С.
Для решения поставленной технической задачи предлагается сплав на основе интерметаллида Ni3Al, содержащий алюминий, хром, вольфрам, молибден, титан, углерод, никель, который дополнительно содержит тантал и эрбий, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Алюминий | 8,0-9,0 |
| Хром | 4,0-5,0 |
| Вольфрам | 4,5-5,5 |
| Молибден | 1,8-3,2 |
| Титан | 1,2-2,0 |
| Тантал | 1,2-2,2 |
| Углерод | 0,03-0,09 |
| Эрбий | 0,02-0,08 |
| Никель | Остальное, |
и изделие, выполненное из него.
Предлагаемый сплав найдет применение для изготовления элементов камер сгорания, роторов, дисков с лопатками высокотемпературных газотурбинных двигателей авиационно-космического, транспортного и энергетического назначения.
При проведении исследований установлено, что при использовании метода гранульной металлургии, позволяющего получать более мелкодисперсную структуру и однородный состав твердого раствора, при предлагаемом соотношении компонентов сплава на основе Ni3Al введение тантала, который стабилизирует γ'-фазу и образует мелкодисперсные карбиды в объеме и по границам зерен γ-фазы, и эрбия, который образует интерметаллид Ni3Al(Er), располагающийся по фазовым границам, образуется оптимальное количество мелкодисперсных карбидов и упрочняющих фаз, обеспечивающих повышение кратковременной прочности при комнатной температуре, жаропрочности при температурах 1200 и 1250°С на базе испытания 100 часов, жаростойкости при температурах 1200 и 1250°С.
Пример осуществления.
Сплавы, соответствующие предлагаемому составу и составу прототипа, были выплавлены в вакуумной индукционной печи. Химический состав предлагаемого сплава и сплава прототипа приведены в таблице 1.
Слитки, отлитые в кокиль, механически обрабатывались до устранения «черновин», а затем распылялись на гранулы размером 200-500 мкм в установке УЦР-2.
Для получения компактных заготовок из сплавов гранулы в капсулах из Ст20 подвергались обработке в газостате. Свойства предлагаемого сплава и сплава-прототипа приведены в таблице 2.
| Таблица 1. | |||||||||||
| Составы предлагаемого сплава и сплава-прототипа. | |||||||||||
| состав | Содержание элементов, мас.% | ||||||||||
| Al | Cr | Mo | W | Ti | С | Та | Er | Fe | Si | Ni | |
| I | 8,0 | 4,0 | 1,8 | 4,5 | 1,2 | 0,03 | 1,2 | 0,02 | - | - | Ост. |
| II | 8,5 | 4,5 | 2,5 | 5,0 | 1,6 | 0,06 | 1,7 | 0,05 | - | - | Ост. |
| III | 9,0 | 5,0 | 3,2 | 5,5 | 2,0 | 0,09 | 2,2 | 0,08 | - | - | Ост. |
| Прототип | 8,5 | 5,5 | 3,5 | 3,0 | 1,5 | 0,02 | - | - | 1,0 | 0,8 | Ост. |
| Таблица 2. | |||||
| Свойства предлагаемого сплава и сплава-прототипа. | |||||
| свойства | σв 20, МПа | σ100 1200, МПа | σ100 1250, МПа | Привес при окислении на воздухе за 100 часов, г/м2 | |
| 1200°С | 1250°С | ||||
| I | 973 | 41 | 12 | 7,5 | 17 |
| II | 962 | 45 | 14 | 7,0 | 15,5 |
| III | 955 | 47 | 15 | 6,5 | 15 |
| прототип | 850 | 40 | 12 | 8 | 20 |
Таким образом, использование предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni3Al, имеющего более высокие значения прочности, жаропрочности и жаростойкости, повышает надежность изделий и увеличивает ресурс их работы.
1. Сплав на основе интерметаллида Ni3Al, содержащий алюминий, хром, вольфрам, молибден, титан, углерод, никель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит тантал и эрбий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Алюминий | 8,0-9,0 |
| Хром | 4,0-5,0 |
| Вольфрам | 4,5-5,5 |
| Молибден | 1,8-3,2 |
| Титан | 1,2-2,0 |
| Тантал | 1,2-2,2 |
| Углерод | 0,03-0,09 |
| Эрбий | 0,02-0,08 |
| Никель | Остальное |
2. Изделие из сплава на основе интерметаллида Ni3Al, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п.1.
