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, никель и технологические примеси при следующем соотношении компонентов, мас.%: алюминий 7,8-9,04, хром 5,0-6,5, вольфрам 2,7-4,0, молибден 3,0-4,0, титан 0,8-1,5, углерод 0,001-0,02, цирконий 0,05-0,5, лантан 0,016-0,25, никель и технологические примеси - остальное. В качестве технологических примесей он содержит (в мас.%) железо не более 0,3, серу и фосфор не более 0,005 каждого. Повышается жаростойкость при 1200°С и долговечность изделий в диапазоне рабочих температур 1000-1100°С при сохранении высокой жаропрочности и технологической пластичности. 2 н.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, длительно работающих в окисленной атмосфере при больших нагрузках, преимущественно бандажных полок лопаток, вкладышей сопловых аппаратов и т.д..

Из уровня техники известен сплав на основе интерметаллида Ni₃Al и изделие, выполненное из него, содержащий, 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
La	0,0015-0,015
Re	1,0-3,5
Никель и технологические примеси	остальное

(RU 2003123028, опубликованный 20.01.2005).

Сплав обладает хорошей жаропрочностью, но низкой жаростойкостью при рабочих температурах, в связи с чем изделия, изготовленные из сплава, имеют ограниченный ресурс работы.

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

Al	8-9
Cr	5,0-6,8
W	2,7-4,0
Мо	3,0-4,3
Ti	1,3-2,2
С	0,13-0,18
Sn	0,03-0,08
Ni	остальное,

(RU 2088686, опубликован 27.08.1997).

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

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

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

Al	7,8-9,04
Cr	5,0-6,5
W	2,7-4,0
Мо	3,0-4,0
Ti	0,8-1,5
С	0,001-0,05
Sn	0,03-0,08
Zr	0,05-0,50
Ni	остальное,

(RU 2198233, опубликован 10.02.2003).

Сплав обладает высокими жаропрочными свойствами, но низкой жаростойкостью при температуре 1200°С и долговечностью при рабочих температурах 1000-1100°С.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в разработке сплава, жаростойкого при температурах порядка 1200°С и долговечного при рабочих температурах 1000-1100°С.

Техническим результатом изобретения является повышение жаростойкости сплава при температурах 1200°С и долговечности изделий в диапазоне рабочих температур 1000-1100°С при сохранении высокой жаропрочности и технологической пластичности в указанных интервалах температур.

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

Алюминий	7,8-9,04
Хром	5,0-6,5
Вольфрам	2,7-4,0
Молибден	3,0-4,0
Титан	0,8-1,5
Углерод	0,001-0,02
Цирконий	0,05-0,5
Лантан	0,016-0,25
Никель и технологические примеси	остальное,

при этом содержание технологических примесей в сплаве, таких как железо, фосфор, сера, ограничено следующими значениями: железо не более 0,3 мас.%; сера и фосфор не более 0,005 мас.% каждого.

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

Сущность изобретения заключается в следующем.

Лантан является активным по отношению к кислороду элементом, образующим термодинамически стабильный оксид La₃О₃. Экспериментально установлено, что введение лантана в заявленных пределах в литейный сплав на основе интерметаллида Ni₃Al системы Ni-Al-Cr-W-Mo приводит к формированию на поверхности сплава многослойной окисной пленки с промежуточным слоем LaCr₂О₃, отличающимся малой скоростью роста, что приводит к уплотнению оксидной пленки, улучшению ее адгезии и снижению проникновения кислорода в основу металла.

Снижение содержания лантана ниже 0,016 мас.% не позволяет эффективно «залечивать» вакантные места в кристаллической решетке оксидов. Такого количества недостаточно для формирования сплошного промежуточного слоя сложного оксида, в результате чего снижается плотность оксидной пленки и ухудшается жаростойкость.

Лантан при содержании его в сплаве заявленного состава в количестве 0,016-0,25 мас.% повышает жаростойкость сплава при 1200°С и долговечность при рабочих температурах 1000-1100°С, механизм которых, как установили авторы, заключается в том, что лантан образует нановыделения карбида лантана La₂С₃ на дислокациях в γ-твердом растворе на основе никеля, которые блокируют движение дислокации, и нановыделения лантаноидов Al₂La и Ni₃La₂, которые стабилизируют межфазные границы γ- и γ'-фаз.

При содержании лантана в сплаве меньше 0,016 мас.% количества выделяющегося карбида лантана La₂С₃ недостаточно для блокирования дислокации, а лантаноидов - для стабилизации границ, в результате чего снижается жаропрочность и долговечность сплава. Увеличение содержания лантана в сплаве более 0,25 мас.% нецелесообразно, поскольку объемная доля дисперсных частиц возрастает, снижается расстояние между ними, что приводит к возрастанию прочностных характеристик и значительному снижению пластичности в интервале рабочих температур.

Ограничение содержания технологических примесей, таких как железо, сера и фосфор, объясняется следующим.

Увеличение содержания железа более 0,3 мас.% ухудшает жаропрочность сплава заявленного состава при рабочих температурах 1000-1100°С, а фосфор и сера при содержании в примесном количестве более 0,005 мас.% снижает технологические свойства в интервале рабочих температур.

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 анализа 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 монокристаллической, 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	Sn	Zr	La	Ni
I	7,8	5,0	4,0	3,0	0,8	0,001	-	0,5	0,016	Осн
II	8,4	5,7	3,3	3,5	1,2	0,01	-	0,24	0,10	Осн
III	9,0	6,5	2,7	4,0	1,5	0,02	-	0,05	0,25	Осн
Прототип	8,5	5,7	3,2	3,5	1,2	0,02	0,05	0,25	-	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
Привес образцов при окислении на воздухе за 100 ч при температуре 1200°С, г/м2	15-18	12-15	11-15	30-35
Время до разрушения при 1000°С и напряжении 150 МПа, ч	224	370	257	127
Время до разрушения при 1100°С и напряжении 100 МПа, ч	130	150	138	94
Плотность, кг/м3	7,934	7,910	7,860	7,936

Из таблицы 2 видно, что свойства предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Al существенно выше, чем известного. Привес окисления на воздухе за 100 часов при 1200°С у сплава-прототипа превышает в 2-3 раза привес предлагаемого сплава. Долговечность предлагаемого сплава до разрушения выше, чем у сплава-прототипа, при 1000°С на 76-80%, а при 1100°С - на 40-60%.

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 и никель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит лантан при следующем соотношении компонентов, мас.%:

алюминий	7,8-9,04
хром	5,0-6,5
вольфрам	2,7-4,0
молибден	3,0-4,0
титан	0,8-1,5
углерод	0,001-0,02
цирконий	0,05-0,5
лантан	0,016-0,25
никель и технологические примеси	остальное

при этом он содержит такие технологические примеси, как железо в количестве не более 0,3 мас.%, фосфор и серу не более 0,005 мас.% каждого.

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