Сплав на основе интерметаллида ni3al и изделие, выполненное из него

Изобретение относится к литейным интерметаллидным сплавам на основе Ni₃Al и изделиям, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям с поликристаллической структурой. Изделиями могут быть сопловые лопатки, проставки соплового аппарата, крупногабаритные створки и другие детали ГТД авиационной и автомобильной промышленности. Сплав на основе интерметаллида Ni₃Al содержит, мас.%: Al 8,0-9,0; Cr 4,5-6,5; W 2,0-4,2; Мо 2,5-4,5; Ti 1,0-2,0; С 0,10-0,18; Hf 0,40-0,60; Ni - остальное. Сплав обладает повышенными кратковременной прочностью при 1200-1250°С, жаропрочностью при 1200°С и рабочими температурами. Использование предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Al повышает температуру газа перед турбиной, коэффициент полезного действия изделий и увеличивает их ресурс работы в 2 раза. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным сплавам на основе интерметаллида Ni₃Al и изделиям, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям с поликристаллической структурой, таким как сопловые лопатки, проставки соплового аппарата, крупногабаритные створки и другие детали ГТД авиационной и автомобильной промышленности.

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

Al	10-12
Fe	14,5-17,5
Mo	2,7-4,0
Hf	0,9-1,7
С	0,01-0,06
Се	0,005
Ni	остальное

(Патент Франции №2603902)

Недостатком этого сплава является не превышающая 900°С рабочая температура и склонность к трещинообразованию при увеличении количества теплосмен.

Изделия из этого сплава используются, например, для проставок соплового аппарата с ограниченным ресурсом работы при температурах эксплуатации до 900°С.

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

Al	10,5-12,5
Cr	4-6
W	1,5-2,5
Ti	1,0-1,6
С	0,1-0,2
Si	0,9-1,2
В	0,005-0,015
Y	0,005-0,015
Ni	остальное

(Патент РФ №2230812)

Недостатком этого сплава является низкая кратковременная прочность при комнатной температуре и недостаточная жаропрочность при температурах 1000-1200°С.

Изделия из этого сплава, например рабочие или сопловые лопатки ГТД, имеют короткий ресурс работы, а также ограниченную номенклатуру отливаемых деталей.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, имеющий химический состав, мас.%:

Al	8,0-9,0
Cr	4,5-5,5
W	1,8-2,5
Mo	4,5-5,5
Ti	0,6-1,2
С	0,12-0,2
Со	3,5-4,5
Zr	0,05-0,5
La	0,0015-0,015
Ni	остальное

(Патент РФ №2245387)

Сплав-прототип обладает недостаточно высокими кратковременной прочностью при 1200-1250°С, жаропрочностью при 1200°С и рабочими температурами.

Изделия из этого сплава, например сопловые лопатки, блоки сопловых лопаток ГТД, створки регулируемого сопла, имеют недостаточную долговечность и ограниченную номенклатуру отливаемых деталей.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка сплава и изделия, выполненного из него, обладающих повышенными кратковременной прочностью при 1200-1250°С, жаропрочностью при 1200°С и рабочими температурами.

Для достижения поставленной технической задачи предлагается сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, содержащий алюминий, хром, вольфрам, молибден, титан, углерод, никель, который дополнительно содержит гафний при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Al	8,0-9,0
Cr	4,5-6,5
W	2,0-4,2
Мо	2,5-4,5
Ti	1,0-2,0
С	0,10-0,18
Hf	0,40-0,60
Ni	остальное

и изделие, выполненное из него.

Авторами было установлено, что при введении гафния и заявленном содержании и соотношениях компонентов в предлагаемом сплаве на основе интерметаллида Ni₃Al наблюдается образование по границам зерен сложных дисперсных жаростойких карбидов типа МеС на основе гафния, благоприятной округлой формы; одновременно снижается степень ликвационной неоднородности сплава и упрочнение дендритов, что способствует снижению скорости диффузии при высоких температурах как в объеме зерна, так и по границам и обеспечивает повышение кратковременной прочности при температурах 1200-1250°С, жаропрочности при температуре 1200°С и рабочих температур изделия.

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 железо, кремний, сера, фосфор, свинец, висмут, олово и сурьма, 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 6 кг для последующего переплава.

Образцы ⊘ 16 мм и длиной 75 мм получали методом точного литья по выплавляемым моделям с поликристаллической структурой.

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

Таблица 1 Составы предлагаемого сплава и сплава-прототипа
Состав	Содержание элементов, мас.%
Al	Cr	W	Mo	Ti	С	Hf	Co	La	Zr	Ni
1	8,5	4,5	4,2	2,5	1,5	0,18	0,6	-	-	-	Ост.
2	9,0	5,5	3,1	3,5	1,0	0,14	0,5	-	-	-	-"-
3	8,0	6,5	2,0	4,5	2,0	0,10	0,4	-	-	-	-"-
Прототип	8,5	5,0	2,2	5,0	0,9	0,16		4,0	0,008	0,2	-"-

Таблица2
Свойства предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni3Al и сплава-прототипа
№ п/п	Кратковременная прочность, σB 1200, кгс/мм2	Кратковременная прочность, σB 1250, кгс/мм2	Длительная прочность, жаропрочность, σ500 1200, кгс/мм2	Рекомендуемые рабочие температуры, °С
1	20,0	8,0	1,6	1200
2	22,0	9,0	1,4	1250
3	21,0	10,0	1,8	1300
Прототип	15,0	не работает	1,0	1150

Из таблицы 2 видно, что кратковременная прочность при 1200°С (σ_B ¹²⁰⁰) на 33,33-46,67% у предлагаемого сплава выше, чем у сплава-прототипа; при 1250°С (σ_B ¹²⁵⁰) - сплав-прототип не работает; жаропрочность при температуре 1200°С на базе 500 часов (σ₅₀₀ ¹²⁰⁰) у предлагаемого сплава на 40,0-80,0% выше, чем у сплава-прототипа; рекомендуемые рабочие температуры у предлагаемого сплава на 50-150°С выше, чем у сплава-прототипа.

Использование предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Al повышает коэффициент полезного действия изделий, температуру газа перед турбиной и увеличивает их ресурс работы в 2 раза.

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

Al	8,0-9,0
Cr	4,5-6,5
W	2,0-4,2
Мо	2,5-4,5
Ti	1,0-2,0
С	0,10-0,18
Hf	0,4-0,6
Ni	остальное

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