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 монокристаллической структурой, таким как рабочие и сопловые лопатки газотурбинных двигателей, используемых в авиационной промышленности. Сплав содержит, мас.%: Al 8,2-8,6, Cr 4,8-5,2, Мо 2,5-3,0, W 2,0-2,4, Ti 1,2-1,5, С 0,001-0,02, Re 0,05-1,2, La 0,015-0,3, Та 1,2-1,6, Zr 0,05-0,5, Ni - остальное. Сплав имеет повышенные жаропрочность и кратковременную прочность при температуре 1200°С и циклическую термостойкость при нагреве и охлаждении 200↔1200°С. Использование предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Al повышает надежность изделий и увеличивает ресурс их работы. 2 н.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 с монокристаллической структурой, таким как рабочие и сопловые лопатки газотурбинных двигателей, используемых в авиационной промышленности.

Известен сплав на основе интерметаллида Ni₃Al (Патент США №4990199), следующего химического состава мас.%:

Al	10-16
Si	0,5-8
Та	0,5-9
Hf	0,1-2
В	0,1-2
Ni	остальное

Сплав обладает недостаточно высокими качествами - не превышающая 850°С рабочая температура и неудовлетворительная долговечность при рабочей температуре.

Изделия из этого сплава используются в наземных газоперекачивающих установках с ограниченным ресурсом работы.

Известен сплав на основе интерметаллида Ni₃Al (Патент РФ 2256716), следующего химического состава 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
C	0,001-0,02
Со	4,0-6,0
Re	1,2-1,8
La	0,002-0,2
Zr	0,05-0,5
Ni	остальное

Недостатком этого сплава является не превышающая 1100°С рабочая температура и недостаточная долговечность при рабочей температуре.

Изделия из этого сплава могут быть использованы в газотурбинных двигателях с ограниченным ресурсом работы.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является сплав на основе интерметаллида Ni₃Al (Патент РФ 2237093), имеющий химический состав мас.%:

Al	8,5-9,5
Cr	4,8-5,5
W	2,6-3,2
Мо	2,5-3,5
Ti	1,0-1,6
С	0,001-0,005
Re	1,0-3,5
La	0,0015-0,015
Ni	остальное

Сплав обладает недостаточно высокими жаропрочностью и кратковременной прочностью при температуре 1200°С, а также циклической термостойкостью при нагреве и охлаждении 200↔1200°С.

Применение изделий из этого сплава ограничено для двигателей нового поколения.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка сплава и изделия, выполненного из него, обладающих повышенными жаропрочностью и кратковременной прочностью при температуре 1200°С и циклической термостойкостью при нагреве и охлаждении 200↔1200°С.

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

Al	8,2-8,6
Cr	4,8-5,2
Мо	2,5-3,0
W	2,0-2,4
Ti	1,2-1,5
С	0,001-0,02
Re	0,05-1,2
La	0,015-0,3
Та	1,2-1,6
Zr	0,05-0,5
Ni	остальное

и изделие, выполненное из него.

Авторами было установлено, что при введении тантала и циркония и заявленном содержании и соотношениях компонентов в предлагаемом сплаве на основе интерметаллида Ni₃Al наблюдается образование эвтектической термостабильной структуры в осях дендритов и одновременно образование гетерофазной структуры в межосных пространствах, что способствует снижению скорости диффузии при высоких температурах, как в объеме зерна, так и по границам и обеспечивает повышение жаропрочности и кратковременной прочности при температуре 1200°С и термоусталости 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 ⊘50 мм отбирали стружку на химический анализ. Результаты химанализа 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.

Таблица 1
Состав	Содержание элементов, мас.%
Al	Cr	Мо	W	Ti	С	Re	La	Та	Zr	Ni
1	8,2	5,0	2,5	2,2	1,5	0,001	1,0	0,015	1,4	0,5	Ост.
2	8,6	4,8	3,0	2,0	1,3	0,015	1,2	0,15	1,2	0,3	"-"
3	8,4	5,2	2,75	2,4	1,2	0,02	0,05	0,3	1,6	0,05	"-"
Прототип	9,0	5,2	3,0	2,9	1,3	0,003	2,25	0,01	-	-	"-"

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 методом высокоградиентной направленной кристаллизации. После переплава получали образцы ⊘16 мм и длиной 150 мм.

Свойства предлагаемого сплава с различным соотношением компонентов и сплава-прототипа приведены в таблице 2.

Таблица 2
Свойства	Предел длительной прочности (жаропрочность) при 1200°С на базе100 час (σ100 1200), МПа	Предел кратковременной прочности при 1200°С (σB 1200), МПа	Термостойкость циклическая при 200↔1200°С, Vн=Vохл.=1 мин.; цикл.
1	55	250,6	464
2	58	249,0	466
3	60	241,0	465
Прототип	50	210	360

Из таблицы 2 видно, что свойства предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Al выше, чем свойства известного. Предел длительной прочности (жаропрочность) при температуре 1200°С на базе 100 часов (σ₁₀₀ ¹²⁰⁰) предлагаемого сплава на 10,0-20,0% выше, чем известного сплава; предел кратковременной прочности при температуре 1200°С (σ_B ¹²⁰⁰) - на 14,8-19,3%; термостойкость циклическая при 200↔1200°С, V_н=V_охл.=1 мин у предлагаемого сплава выше на 28,9-29,4%, чем у сплава-прототипа.

Использование предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Al повышает надежность изделий и увеличивает ресурс их работы.

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

Al	8,2-8,6
Cr	4,8-5,2
Мо	2,5-3,0
W	2,0-2,4
Ti	1,2-1,5
С	0,001-0,02
Re	0,05-1,2
La	0,015-0,3
Та	1,2-1,6
Zr	0,05-0,5
Ni	остальное

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