Литейный сплав на основе интерметаллида ni3al и изделие, выполненное из него

Изобретение относится к области металлургии, в частности к литейным сплавам на основе интерметаллида Ni₃Al и изделиям из них, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям. Сплав содержит алюминий, хром, вольфрам, молибден, титан, углерод, цирконий, лантан, гафний, тантал, никель и технологические примеси, при следующем соотношении компонентов, мас.%: алюминий 8,0-9,1, хром 5,5-6,5, вольфрам 2,5-3,5, молибден 4,5-5,5, титан 0,3-0,8, углерод 0,001-0,01, цирконий 0,05-0,5, лантан 0,1-0,3, гафний 0,1-0,5, тантал 0,1-1,0, никель и технологические примеси - остальное. В качестве технологических примесей он содержит, мас.%: железо, ниобий, марганец не более 0,3 каждого, серу и фосфор не более 0,005 каждого, олово и сурьму не более 0,003 каждого, свинец не более 0,001, висмут не более 0,0005. Повышается трещиностойкость при 20-1100°С на базе 10⁴ и 10⁷ циклов и жаростойкость при 1200°С. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к литейным сплавам на основе интерметаллида Ni₃Al и изделиям из них, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям, и может быть использовано для изготовления деталей авиационных газотурбинных двигателей.

Известен литой сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, содержащий, мас.%: 7,8-9 алюминия, 4,5-5,5 хрома, 1,8-2,5 вольфрама, 4,5-5,5 молибдена, 0,6-1,2 титана, 0,007-0,02 углерода, 0,0015-0,015 лантана, 3,5-4,5 кобальта, никель - остальное. (RU 2114206, опубл. 27.06.1998).

Недостатком известного сплава является недостаточная жаростойкость при рабочих температурах и склонность к трещинообразованию при рабочей температуре выше 900°С.

Изделия из этого сплава, например, проставки соплового аппарата, имеют ограниченный ресурс работы, что связано с низкой трещиностойскостью при рабочих температурах выше 900°С в условиях малых и высокоцикловых нагрузок.

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

Алюминий	7,7-8,7
Хром	5-6
Вольфрам	2,5-3,5
Молибден	4,5-5,5
Титан	0,3-0,8
Углерод	0,001-0,02
Иттрий	0,015-0,025
Кобальт	3,5-4,5
Рений	1,2-1,8
Тантал	0,1-1,0
Никель и технологические
примеси	остальное

(RU 2221890, опубл. 20.01.2004).

Недостатком этого сплава является низкая прочность и недостаточная жаростойкость в интервале температур 650-1000°С.

Изделия из этого сплава, например бандажные полки ГТД, имеют низкий выход годного и недостаточную долговечность.

Наиболее близким к предложенному изобретению, является литейный сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, содержащий, мас.%:

Алюминий	7,7-8,7
Хром	5,6-6,0
Вольфрам	2,5-3,5
Молибден	4,5-5,5
Титан	0,3-0,8
Углерод	0,001-0,02
Цирконий	0,05-0,5
Лантан	0,002-0,20
Кобальт	4,0-6,0
Рений	1,2-1,8
Никель и технологические
примеси	остальное

(RU 2256716, опубл. 20.07.2005).

Недостатком этого сплава является недостаточная жаростойкость при температуре 1200°С и недостаточная малоцикловая стойкость на базе 10⁴ циклов при 20 и 900°С и низкая многоцикловая стойкость на базе 10⁷ циклов при 20-1100°С.

Изделия из этого сплава, например бандажные полки ГТД, имеют низкий ресурс работы из-за указанных недостатков сплава.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в разработке сплава и изделия, выполненного из него, обладающих высокой долговечностью и жаростойкостью при рабочих температурах выше 900°С.

Техническим результатом изобретения является повышение трещиностойкости сплава при 20-1100°С на базе 10⁴ и 10⁷ циклов и жаростойкости при 1200°С.

Технический результат достигается тем, что литейный сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, содержащий алюминий, хром, вольфрам, молибден, титан, углерод, цирконий, лантан и никель, дополнительно содержит гафний и тантал при следующем соотношении компонентов, мас%:

Алюминий	8,0-9,1
Хром	5,5-6,5
Вольфрам	2,5-3,5
Молибден	4,5-5,5
Титан	0,3-0,8
Углерод	0,001-0,01
Цирконий	0,05-0,5
Лантан	0,1-0,3
Гафний	0,1-0,5
Тантал	0,1-1,0
Никель и технологические
примеси	остальное

При этом в качестве технологических примесей сплав может содержать, мас.%: железо, ниобий, марганец не более 0,3 каждого; серу и фосфор не более 0,005 каждого; олово и сурьму не более 0,003 каждого; свинец не более 0,001; висмут не более 0,0005.

Технический результат достигается также тем, что из заявленного сплава выполняют изделия.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Тантал легирует γ′-фазу и растворяется в никеле, упрочняя γ-твердый раствор, тем самым снижая скорость развития диффузионных процессов в объеме и на межфазных границах, вызывая их стабилизацию.

Кроме того, введение тантала в количестве 0,1-1,0 мас.% и гафния в количестве 0,1-0,5 мас.% в сплав с заявленным соотношением компонентов способствует стабилизации карбидов типа МеС, наилучшим образом упрочняющих границы зерен, что значительно повышает трещиностойкость сплавов и повышает сопротивляемость как малоцикловой, так и многоцикловой усталости в диапазоне температур 20-1100°С.

Введение гафния совместно с лантаном образует сложный, тугоплавкий оксид, уплотняющий окисную пленку на поверхности сплава и улучшая ее адгезию с основой, что создает условия для жаростойкости при 1200°С.

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 D=50 мм отбирали стружку на химический анализ. Результаты химанализа сплавов приведены в таблице 1. 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 D=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 микроструктуры в смеси соляной кислоты и перекиси водорода. При наличии одного макрозерна вдоль оси образца отливка считается монокристалической, при наличии двух и более зерен без выклинивания - столбчатой структурой.

Таблица 1.
Составы предлагаемого сплава и прототипа.
№ сплава	Содержание элементов, мас.%
Al	Cr	W	Mo	Ti	С	Zr	Hf	La	Co	Re	Та	Ni
I	8,6	5,0	3,0	4,5	0,3	0,01	0,5	0,05	0,016	5,1	1,8	0,6	Осн.
II	9,1	5,7	2,5	5,5	0,5	0,001	0,24	0,3	0,10	4,0	1,6	1,0	Осн.
III	8,0	6,5	3,5	4,0	0,8	0,005	0,05	0,5	0,25	6,0	1,2	0,1	Осн.
Прототип	8,2	5,8	3,1	4,0	0,6	0, 02	0,25	-	0,13	4,9	1,5	-	Осн.

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

Таблица 2.
Свойства предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni3Al и сплава-прототипа.
Свойства	I	II	III	Прототип
Моноцикловая на базе 2×107 цикла выносливость, МПа
при 20°С	238	240	245	190
при 900°С	367	370	374	295
при 1100°С	158	160	164	120
Время до разрушения при 1100°С, напряжении 95 МПа, ч.	1000	1250	1480	485

Из таблицы 2 видно, что свойства предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Al существенно выше, чем известного. Многоцикловая на базе 2×10⁷ цикла выносливость предлагаемого сплава при 20, 900 и 1100°С выше на 22-30%, чем у сплава-прототипа. Долговечность предлагаемого сплава до разрушения выше, чем у сплава-прототипа при 1100°С в 2-3 раза.

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

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

алюминий	8,0-9,1
хром	5,5-6,5
вольфрам	2,5-3,5
молибден	4,5-5,5
титан	0,3-0,8
углерод	0,001-0,01
цирконий	0,05-0,5
лантан	0,1-0,3
гафний	0,1-0,5
тантал	0,1-1,0
никель и технологические примеси	остальное

2. Сплав по п.1, отличающийся тем, что в качестве технологических примесей он содержит, мас.%: железо, ниобий, марганец не более 0,3 каждого, сера и фосфор не более 0,005 каждого, олово и сурьма не более 0,003 каждого, свинец не более 0,001, висмут не более 0,0005.

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