Способ получения литейного жаропрочного сплава или изделия из сплава типа вкна на основе интерметаллида ni3al (варианты) и изделия, полученные этими способами

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способу получения литейных сплавов типа ВКНА на основе интерметаллида Ni3Al, которые могут быть использованы при изготовлении изделий, работающих длительное время при высоких температурах в окислительных средах. Способ включает расплавление исходной шихты, содержащей никель, молибден, вольфрам и, если необходимо, кобальт. Рафинируют полученный расплав при температуре 1480-1500°С в течение 5-10 минут от примесей углерода, кислорода и азота. Последовательно вводят в расплав химически активные элементы, в качестве которых используют технический хром, титан, алюминий, цирконий и РЗМ. Первым вводят технический хром при температуре рафинирования и выдерживают расплав в течение 5-10 минут. Вводят титан и выдерживают расплав в течение 5-10 минут, а затем вводят в расплав при температуре 1500-1550°С порциями алюминий, причем с первой порцией вводят цирконий, а с последней РЗМ, при выдержке расплава после введения каждой порции в течение 5-10 минут. Осуществляют разливку и кристаллизацию расплава. По другому варианту хром может быть введен как компонент исходной шихты. Повышается прочность и жаропрочность получаемых сплавов и, как следствие, надежность и ресурс работы выполненных из них изделий. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 3 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способу получения литейных сплавов или изделий из сплавов типа ВКНА на основе интерметаллида Ni3AL, и может быть использовано в авиационной и автомобильной промышленности, судостроении для изготовления деталей газотурбинных двигателей, работающих длительное время при высоких температурах в окислительных средах.

Основным определяющим свойством сплавов, предназначенных для длительной эксплуатации при высокой температуре, является жаропрочность. Условия длительной высокотемпературной работы деталей под напряжением, при термоциклировании и знакопеременных нагрузках способствует интенсификации диффузионных процессов в материале. Это приводит к снижению жаропрочности гетерофазных (γ+γ′) - никелевых суперсплавов из-за деградации структуры, связанной с уменьшением или полным исчезновением вторичных выделений упрочающей фазы γ′вт вследствии повышения ее растворимости в материале матрицы (γ) и укрупнению не растворившихся частиц γ′вт. Необходимо создание в материале термостабильной структуры, обеспечивающей сохранение высоких характеристик жаропрочности вплоть до предплавильных температур.

Повышение жаропрочности литейных интерметаллидных сплавов типа ВКНА на основе интерметаллида Ni3AL, содержащих до 10-15 об.% γ-твердого раствора на основе никеля, может быть достигнуто за счет формирования в них стабильных первичных выделений γ′-фазы (γ′перв) с упорядоченной ГЦК кристаллической решеткой, имеющей более высокую прочность межатомных связей по сравнению с прочностью межатомных связей в неупорядоченной ГЦК решетке γ-твердого раствора на основе никеля. Характерной особенностью указанных выделений γ′перв является то, что они формируются уже в расплаве при выплавке сплавов и последующем литье, и имеют сложное строение. В связи с чем разработка способов выплавки низколегированных сплавов на основе интерметаллида Ni3AL имеет актуальное значение.

Известен способ получения сплава на основе интерметаллида Ni3AL (Патент США №4126495, опубликован 21.11.1978 г.), по которому в плавильный тигель вакуумной индукционной печи (ВИП) одновременно загружают все шихтовые материалы (Ni, Co, Cr, W, Та, Мо, Nb, Al, Ti, Be, Zr, С), производят вакуумирование в ВИП до остаточного давления 10-1-10-2 мм рт.ст., после чего начинают нагрев шихты. Первым плавится Al, который образует расплав на дне тигля и растворяет осадок загрузки шихты за короткий период времени. После полного расплавления шихты, расплав перегревается до 3200°F (1700°С) в пределах контролируемого периода до 10 мин. При этой температуре производится 5-минутная выдержка расплава, а затем его охлаждение до 3050°F (~1760°C). При этой температуре вводятся такие добавки, как бор и Р3М, а затем расплав немедленно заливают в предварительно прокаленные (~843-900°С) оболочковые маршаллитовые формы.

Недостатком способа является то, что при введении всех элементов затрудняется удаление из расплава С и О в виде СО вследствие связывания углерода и кислорода в термодинамические стабильные карбиды и оксикарбиды, затрудняющие формирование в расплаве упрочняющей фазы - γ′перв. В результате сплавы и изделия, изготовленные из них, имеют низкую жаропрочностью.

Известен способ получения сплава на основе интерметаллида Ni3AL, включающий расплавление никеля, хрома, вольфрама, молибдена и рения, обезуглероживающее рафинирование, раскисление иттрием, введение в расплав хрома и титана, понижение температуры, порционное введение алюминия, добавление в расплав кальция и лантана (патент РФ №2278902, опубликован 27.06.2006).

Способ позволяет получать сплавы повышенной чистоты. Однако они имеют невысокую жаропрочность при рабочих температурах, превышающих 1000°С.

Наиболее близким к предложенному изобретению является способ получения литейных жаропрочных сплавов на основе интерметаллида Ni3AL и изделий, выполненных из них, включающий расплавление элементов с невысокой химической активностью, таких как Ni, Co, Cr, W, Та, Мо, Nb, Re, и углерода в количестве, достаточном для раскисления шихты в процессе расплавления, введение в расплав легирующих элементов с повышенной химической активностью, таких как Ti, Al, Zr и т.д., введение наиболее активных к кислороду элементов бора и РЗМ (Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок. / Под редакцией Ч.Т.Симсы и др. Суперсплавы II, кн. 2,- М.: Металлургия, 1995, с.134).

Последовательность введения компонентов шихты и температурные режимы плавки в известном способе не способствуют образованию достаточного количества фазы γ′перв. В результате сплав и изделия, полученные этим способом, не обладают достаточной прочностью и жаростойкостью при рабочих температурах 1000-1200°С.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в разработке способа получения литейных жаропрочных сплавов типа ВКНА на основе интерметаллида Ni3AL и изделий из них, обладающих высоким ресурсом работы.

Техническим результатом изобретения является повышение прочности и жаропрочности сплавов и изделий из сплавов типа ВКНА на основе интерметаллида

Ni3AL, а также повышение ресурса их работы.

Технический результат достигается двумя вариантами способа получения литейных сплавов типа ВКНА.

По первому варианту технический результат достигается тем, что в способе получения литейного жаропрочного сплава или изделия из сплава типа ВКНА на основе интерметаллида Ni3AL, включающем расплавление никеля, молибдена, вольфрама, и, если необходимо, кобальта, рафинирование расплава от примесей углерода, кислорода, азота, последовательное введение в расплав химически активных элементов, разливку и кристаллизацию, рафинирование осуществляют при температуре 1480-1500°С в течение 5-10 мин, после чего при этой же температуре в расплав вводят низкоуглеродистый хром, а затем титан с выдержкой расплава после введения каждого элемента 5-10 минут, затем при температуре 1500-1550°С порциями вводят в расплав алюминий, причем с первой порцией вводят цирконий, а с последней - РЗМ, и выдерживают расплав 5-10 мин. При этом хром можно вводить в расплав 2-3 порциями.

По второму варианту в способе получения литейного жаропрочного сплава или изделия из сплава типа ВКНА на основе интерметаллида Ni3AL, включающем расплавление никеля, молибдена, вольфрама, хрома и, если необходимо, кобальта, рафинирование расплава от примесей углерода, кислорода, азота, последовательное введение в расплав химически активных элементов, разливку и кристаллизацию, рафинирование осуществляют при температуре 1480-1500°С в течение 5-10 минут, затем при этой же температуре в расплав вводят титан, выдерживают расплав 5-10 минут, затем при температуре 1500-1550°С вводят порциями алюминий, причем с первой порцией в расплав вводят цирконий, а с последней Р3М, и выдерживают расплав 5-10 мин. Во втором варианте в исходной шихте можно использовать технический хром с содержанием углерода ≤0,03 мас.%.

В обоих вариантах выполнения способа титан можно вводить 2-3 порциями, алюминий - 2-4 порциями, а в качестве Р3М вводят лантан.

Для получения фасонных изделий с монокристаллической и/или столбчатой структурой разливку и кристаллизацию осуществляют по выплавляемым моделям с вертикально направленной кристаллизацией.

При этом при получении изделий с поликристаллической структурой в расплав перед разливкой вводят 0,12-0,2 мас.% углерода от массы расплава, а при получении изделий со столбчатой структурой в расплав перед разливкой вводят 0,02-0,08 мас.% углерода от массы расплава.

Технический результат достигается также изделием из литейного сплава типа ВКНА на основе интерметаллида Ni3AL, полученным по одному из заявленных способов.

Сущность изобретения заключается в следующем.

При выплавке литейных жаропрочных сплавов типа ВКНА на основе интерметаллида Ni3AL необходимо проведение комплекса мероприятий, обеспечивающих формирование при кристаллизации частиц тугоплавких ядер-оксидов с оболочкой из β-фазы (NiAl) и выделений γ′перв - фазы, которая формирует внешнюю оболочку зародышей зерен, обеспечивающую термостабильность и жаропрочность сплава.

Экспериментально установлено, что постадийное введение в расплав элементов с повышенной химической активностью, таких как Cr, Ti, Al, Zr, Р3М при заявленных режимах нагрева и выдержки, исключающих как перегрев, так и охлаждение расплава, приводит к формированию дисперсных выделений фазы γ′перв, состоящих из ядер-оксидов типа Al (Ti, Zr, La)xOy с оболочкой из β-фазы и внешней оболочкой из γ′-фазы (Ni3Al).

Введение наименее активного циркония с первой порцией алюминия, а наиболее активного РЗМ с последней порцией алюминия позволяет сформировать в расплаве стойкие тугоплавкие ядра-оксиды для последующего стабильного выделения на них упрочняющей γ′-фазы.

Процесс проводят с пониженным до минимума содержанием углерода, который вводят в расплав, в случае необходимости, перед разливкой в кокиль, что позволяет исключить в процессе плавки образование карбидов, препятствующих формированию в расплаве тугоплавких ядер-оксидов.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами:

Выплавляли сплавы ВКНА-4У-МК, ВКНА-1В-НК и ВКНА-РК, химический состав которых приведен в таблице 1.

В таблице 2 приведена последовательность введения легирующих элементов, температурные и временные режимы при выплавке сплавов ВКНА-4У-МК (примеры I, II, III), BKHA-1B-HK (примеры I, II, III), ВКНА-РК (пример III) по предложенной технологии и по известной (пример IV).

После разливки в кокили отбирали стружку на химический анализ. Содержание легирующих элементов и примесей определяли по стандартным методикам.

Во всех случаях перед последующими операциями литые заготовки протачивали по поверхности на глубину 1-2 мм для удаления слоя, контактирующего с чугуном кокилей, затем разрезали на мерные заготовки весом по 6 кг для последующего литья образцов и изделий методами направленной кристаллизации (НК) или равноосной кристаллизации (РК).

В таблице 3 приведены свойства литейных жаропрочных сплавов ВКНА-1В-НК, ВКНА-4У-МК, ВКНА-РК, полученных предложенными способами (I, II, III) и по способу-прототипу (IV). Из таблицы 3 видно, что сплавы, выплавленные по предложенным способам, имеют характеристики 100-, 500- и 1000-часовой прочности при температурах 100, 1100 и 1200°С, почти в 2 раза превышающие аналогичные характеристики сплава, полученного по способу-прототипу, и повышение рабочих температур на 100°С.

Изделия, выплавленные по предложенным способам, имеют повышенные надежность и ресурс работы.

Таблица 1
Химический состав исследуемых сплавов на основе интерметаллида Ni3AL.
Марка сплава Al Cr W Мо Ti С Со Zr La Ni
ВКНА-
1В-НК
8,50 5,50 3,00 3,50 1,15 ≤0,02 - 0,03 0,015 Осн.
ВКНА-
4У-МК
8,50 5,00 2,15 5,00 0,90 ≤0,02 4,00 0,03 0,015 Осн.
ВКНА-РК 8,50 5,00 2,15 5,00 0,90 0,15 4,00 0,25 0,015 Осн.

1. Способ получения литейного жаропрочного сплава типа ВКНА на основе интерметаллида Ni3Al, включающий расплавление исходной шихты, содержащей никель, молибден, вольфрам и, если необходимо, кобальт, рафинирование полученного расплава от примесей углерода, кислорода и азота, последовательное введение в расплав химически активных элементов, разливку и кристаллизацию расплава, отличающийся тем, что рафинирование осуществляют при температуре 1480-1500°С в течение 5-10 мин, а в качестве химически активных элементов используют технический хром, титан, алюминий, цирконий и РЗМ, при этом первым вводят технический хром при температуре рафинирования и выдерживают расплав в течение 5-10 мин, затем вводят титан и выдерживают расплав в течение 5-10 мин, вводят в расплав при температуре 1500-1550°С порциями алюминий, причем с первой порцией вводят цирконий, а с последней - РЗМ, при выдержке расплава после введения каждой порции в течение 5-10 мин.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что технический хром вводят в расплав 2-3 порциями.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что титан вводят в расплав 2-3 порциями.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что алюминий вводят в расплав 2-4 порциями.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве РЗМ используют лантан.

6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что для получения монокристаллической и/или столбчатой структуры разливку и кристаллизацию осуществляют по выплавляемым моделям с вертикально направленной кристаллизацией.

7. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что для получения равноосной поликристаллической структуры в расплав перед разливкой дополнительно вводят углерод в количестве 0,12-0,2% от массы расплава.

8. Способ по п.6, отличающийся тем, что для получения столбчатой структуры в расплав перед разливкой дополнительно вводят углерод в количестве 0,02-0,08% от массы расплава.

9. Способ получения литейного жаропрочного сплава типа ВКНА на основе интерметаллида Ni3Al, включающий расплавление исходной шихты, содержащей никель, молибден, вольфрам, хром и, если необходимо, кобальт, рафинирование полученного расплава от примесей углерода, кислорода и азота, последовательное введение в расплав химически активных элементов, разливку и кристаллизацию расплава, отличающийся тем, что рафинирование осуществляют при температуре 1480-1500°С в течение 5-10 мин, а в качестве химически активных элементов используют титан, алюминий, цирконий и РЗМ, при этом первым вводят титан и выдерживают расплав в течение 5-10 мин, затем при температуре 1500-1550°С в расплав вводят порциями алюминий, причем с первой порцией вводят цирконий, а с последней - РЗМ, при выдержке расплава после введения каждой порции в течение 5-10 мин.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что в качестве хрома используют технический хром с содержанием углерода ≤0,03 мас.%.

11. Способ по п.9, отличающийся тем, что титан вводят в расплав 2-3 порциями.

12. Способ по п.9, отличающийся тем, что алюминий вводят в расплав 2-4 порциями.

13. Способ по п.9, отличающийся тем, что в качестве РЗМ используют лантан.

14. Способ по любому из пп.9-13, отличающийся тем, что для получения монокристаллической и/или столбчатой структуры разливку и кристаллизацию осуществляют по выплавляемым моделям с вертикально направленной кристаллизацией.

15. Способ по любому из пп.9-13, отличающийся тем, что для получения равноосной поликристаллической структуры в расплав перед разливкой дополнительно вводят углерод в количестве 0,12-0,2% от массы расплава.

16. Способ по п.14, отличающийся тем, что для получения столбчатой структуры в расплав перед разливкой дополнительно вводят углерод в количестве 0,02-0,08% от массы расплава.

17. Изделие из литейного жаропрочного сплава типа ВКНА на основе интерметаллида Ni3Al, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава, полученного способом по любому из пп.1-16.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии цветных металлов и может быть использовано при производстве распыляемых металлических мишеней для нанесения тонкопленочной металлизации СБИС различного назначения в микроэлектронике.

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к дисперсно-упроченным композиционным материалам на основе меди. .

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению легированных материалов на основе железа. .

Изобретение относится к машиностроению, в частности к изготовлению поликристаллических элементов из порошков алмаза и/или кубического нитрида бора. .
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности, к спеченным антифрикционным материалам на основе меди. .
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к производству спеченных сплавов, которые могут быть использованы для изготовления бижутерии, наградных знаков, монет, изделий декоративно-прикладного искусства.
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению порошковых материалов на основе алюминидов металлов методом СВС. .
Изобретение относится к способам получения порошка металлических материалов с квазикристаллической структурой. .
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к композиционным материалам на основе алюминия. .

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способу выплавки жаропрочных сплавов на основе никеля, и может быть использовано при выплавке безуглеродистых жаропрочных сплавов для литья лопаток газотурбинных двигателей и других деталей с монокристаллической структурой.

Изобретение относится к металлургии, в частности к изготовлению изделий из пористого никелида титана

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при защите расплава латуни в кристаллизаторе машины непрерывного литья
Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам получения литых высокоармированных алюмоматричных композиционных материалов

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к получению изделий из композиционных материалов на основе металлической матрицы, армированной SiC

Изобретение относится к порошковой металлургии и нанотехнологиям, в частности к получению композиционных материалов

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к спеченным композиционным материалам на основе алюминия для деталей триботехнического назначения - втулок, подшипников скольжения, уплотнений, подпятников

Изобретение относится к области порошковой металлургии а именно к производству пеноалюминия

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к керметным композициям, содержащим борид металла

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению пеноматериалов

Изобретение относится к керметам, а именно к керметным композициям для изготовления деталей, подвергающихся воздействию эрозии и коррозии при высокой температуре

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способу получения литейных сплавов типа ВКНА на основе интерметаллида Ni3Al, которые могут быть использованы при изготовлении изделий, работающих длительное время при высоких температурах в окислительных средах

Наверх