Жаропрочный порошковый сплав на основе интерметаллида nial и изделие, выполненное из него

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению жаропрочных сплавов на основе легированного интерметаллида NiAl. Может использоваться в для изготовления деталей газотурбинных двигателей или гиперзвуковых летательных аппаратов, для теплонагруженных деталей. Порошковый сплав содержит, мас.%: алюминий 24-30; кобальт 6-16; ниобий 2-4; хром 2-4; никель и неизбежные примеси - остальное. Сплав имеет предел прочности на растяжение при температуре 1100°С не менее 185 МПа, при 1200°С не менее 165 МПа, и длительную прочность при 1200°С 47-50 МПа. Полученный материал обладает высокой прочностью при 1100-1200°С и жаростойкостью до 1400°С. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к порошковым сплавам на основе интерметаллида NiAl, и изделиям из них, получаемым методом порошковой металлургии, и может быть использовано для изготовления деталей авиационных газотурбинных двигателей или гиперзвуковых летательных аппаратов, длительно работающих в окислительной атмосфере, для теплонагруженных деталей, испытывающих относительно невысокие механические нагрузки при температурах, превышающих рабочие температуры и температуры плавления никелевых суперсплавов, преимущественно стабилизаторов горения форсуночного блока камеры сгорания газотурбинной установки, тепловых излучателей и др.

Интерес к разработке материалов на основе NiAl в значительной степени определяется комплексом физико-механических характеристик NiAl сплавов, к которым можно отнести, в частности, высокую жаропрочность при кратковременных и длительных испытаниях, определяемую высокой температурой плавления (t_пл=1630°C), которая выше t_пл никелевых суперсплавов, и упорядоченной кристаллической решеткой, сохраняющейся до t_пл NiAl, высокую жаростойкость, коррозионную стойкость и низкую плотность (ρ~6 г/см³), определяемые высоким содержанием алюминия.

Известен жаропрочный композиционный материал на основе интерметаллида NiAl, раскрытый в патенте RU 2135619, опубл. 27.08.99. Материал содержит (ат.%): алюминий 35-48, никель 23-48, ниобий и/или титан до 12, вольфрам и/или молибден 30-4. При этом вольфрам и/или молибден наносят на поверхность порошка NiAl перед спеканием. Сплав обладает повышенной по сравнению с нелегированным NiAl жаропрочностью при 1100°С и стойкостью к окислению. Однако при более высоких рабочих температурах стойкость к окислению, длительная и кратковременная прочность сплава значительно снижается. Кроме того, технология получения материала сложна и требует использования дорогостоящих реагентов, таких как карбонилы вольфрама и/или молибдена, и сложного аппаратурного оформления.

Известен жаропрочный сплав на основе моноалюминида никеля NiAl, раскрытый в патенте RU 2148671, содержащий хром и тантал с суммарным содержанием до 12 ат. %, и, по меньшей мере, один элемент из группы, включающей железо, молибден, вольфрам, ниобий и гафний, с содержанием каждого до 1 ат.% и с общим содержанием не выше 3 ат.%. Сплав обладает прочностью выше 90 МПа при 1000°С и хорошей стойкостью к тепловому удару.

Известен принятый в качестве ближайшего аналога жаропрочный порошковый сплав па основе интерметаллида NiAl, раскрытый в патенте US 5935349, опубл. 10.08.99, содержащий хром и тантал с суммарным содержанием до 12 ат.%, предпочтительно 0,3-3,8 ат.% тантала и 1,0-9,0 ат.% хрома и, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, содержащей железо, молибден, вольфрам, ниобий и гафний, в количестве до 1 ат.% каждый с суммарным содержанием до 3 ат.%. Интерметаллидный сплав обладает высоким сопротивлением окислению при 1300°С, пределом текучести при испытаниях на сжатие до 125 и 88 МПа при 1100 и 1200°С соответственно.

Однако при рабочих температурах легкого сплава на основе NiAl выше указанных (1000-1200°С) он уступает никелевым суперсплавам. Для повышения коррозионной стойкости до температур, превышающих температуры плавления никелевых суперсплавов (до 1400°С), и характеристик прочности при длительных испытаниях на растяжение при температурах, превышающих рабочие температуры никелевых суперсплавов (выше 1100°С), что обеспечит повышение надежности и долговечности изделий из сплава в условиях высоких температур, необходимо дальнейшее увеличение характеристик как кратковременной, так и длительной прочности, а также повышение сопротивления окислению.

Задачей настоящего изобретения является получение материала с более высокой прочностью (порядка 190 МПа) при температуре 1100°С в термообработанном состоянии, с высоким сопротивлением окислению при 1400°С и высокой длительной прочностью при 1200°С, т.е. при температуре, превышающей порог рабочих температур никелевых супереплавов.

Техническим результатом изобретения является повышение кратковременной и длительной прочности сплавов и изделий из сплавов на основе интерметаллида NiAl в диапазоне температур 1100-1200°С и жаростойкости сплава при температурах до 1400°С.

Технический результат достигается тем, что жаропрочный порошковый сплав на основе интерметаллида NiAl, содержащий алюминий, хром, ниобий, никель, дополнительно содержит кобальт при следующем соотношении компонентов в мас.%: алюминий 24-30, кобальт 6-16, ниобий 2-4, хром 2-4, никель и неизбежные примеси - остальное, и имеет предел прочности при растяжении при температуре 1100°С не менее 185 МПа, а при 1200°С не менее 165 МПа и длительную прочность при 1200°С 47-50 МПа.

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

Экспериментально установлено, что в порошковом сплаве на основе моноалюминида никеля NiAl введение кобальта в количестве 6-16 мас.% в никелевую подрешетку NiAl, а ниобия в количестве 2-4 мас.% в алюминиевую подрешетку NiAl, приводит к замедлению диффузионных процессов в NiAl, что тормозит развитие процессов как движения дислокации в объеме, так и замедляет зернограничную ползучесть. Установлено, что замена части атомов никеля атомами кобальта повышает t_пл твердого раствора Ni-Co-Al. Экспериментально установлено, что при легировании NiAl кобальтом, хромом и ниобием происходит перераспределение электронов в валентной зоне NiAl, что обеспечивает уменьшение ковалентной составляющей межатомной связи и увеличение металлической, что облегчает движение дислокации и повышает способность к деформации. Установлено, что хром принимает участие совместно с алюминием и кобальтом в формировании плотной многослойной оксидной пленки, содержащей тугоплавкие шпинели типа (Ni,Co)Al₂O₄ и (Ni,Co)Cr₂O₄ с промежуточным слоем (Al,Cr)₂O₃, отличающимся малой скоростью роста, что приводит к уплотнению оксидной пленки, улучшению ее адгезии и снижению проникновения кислорода в основу металла.

ПРИМЕР ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Исходный порошок сплава загружают в шаровую мельницу и измельчают до среднего размера частиц менее 10 мкм.

Продукт помещают в стальные капсулы и экструдируют с коэффициентом вытяжки не менее 15 с температурой подогрева в печи от 1000 до 1200°С. Материал капсулы (стальную оболочку) удаляют с экструдированого полуфабриката механической обработкой (на шлифовальных, токарных или фрезеровальных станках) или химическим травлением. Осуществляют механическую обработку полуфабриката на токарно-фрезерных станках или электроэрозионном оборудовании.

Полученную заготовку детали термически обрабатывают в вакуумной или газовой печи при температуре от 1450 до 1550°С в течение 1 часа.

Данные, полученные в результате испытаний сплавов с различным химическим составом, представлены в таблице, где содержание никеля, алюминия, кобальта, ниобия и хрома указано в мас.%.

Таблица
Результаты испытаний
Состав и свойства сплава	Состав нового сплава, мас.%	Состав сплава-прототипа, ат.%
Al	27,6	29,2	26,8	NiAl<12 (Сг+Та); предпочтительно (0,3-3,8) Та (1,0-9,0) Сг
Co	8,5	10,7	12,2
Nb	3,2	2,2	3,6
Cr	2,5	2,0	3,9
Ni	остальное
Предел прочности при растяжении, МПа	1100°С	185	190	187	90
1200°С	169	170	165	70
Предел прочности при сжатии, МПа	1100°С	-	-	-	125
1200°С	-	-	-	88
Сточасовая прочность, МПа, при температуре 1200°С	49	50	47	25
Привес при окислении за 100 часов, г/м2, при температуре	1300°С	36	25	29	58-72
1400°С	67	53	55	>150

Из таблицы видно, что свойства предлагаемого сплава на основе интерметаллида NiAl существенно выше, чем известного. Привес сплава-прототипа при окислении на воздухе за 100 часов при 1300°С превышает в 2 раза привес предлагаемого сплава, а при 1400°С начинается катастрофическое окисление сплава-прототипа. Предлагаемые новые материалы не нуждаются в защите от окисления, в отличие от любых никелевых суперсплавов.

Предел прочности при растяжении при 1100-1200°С сплава-прототипа в 2-2,5 раза ниже, чем предлагаемого нового сплава, а свойства прототипа при испытаниях на сжатие при тех же температурах в 1,5-2 раза ниже, чем у предлагаемого сплава при испытаниях по более сложной схеме на растяжение. Долговечность (сточасовая прочность) предлагаемого сплава при 1200°С на 80-100% выше, чем у сплава-прототипа.

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

1. Жаропрочный порошковый сплав на основе интерметаллида NiAl, содержащий алюминий, хром, ниобий, никель и неизбежные примеси, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кобальт при следующем соотношении компонентов, мас.%:

алюминий	24-30
кобальт	6-16
ниобий	2-4
хром	2-4
никель и неизбежные примеси	остальное,

и имеет предел прочности на растяжение при температуре 1100°С не менее 185 МПа, при 1200°С не менее 165 МПа, и длительную прочность при 1200°С 47-50 МПа.

2. Сплав по п.1, отличающийся тем, что в качестве неизбежных примесей он содержит железо, серу и фосфор в следующих количествах, мас.%: железо менее 0,3, сера не более 0,005 и фосфор не более 0,005.

3. Изделие, выполненное из жаропрочного порошкового сплава на основе интерметаллида NiAl, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п.1 или 2.