Сплав на основе интерметаллида ni3al
Владельцы патента RU 2398906:
Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) (RU)
Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным сплавам на основе интерметаллида Ni3Al, получаемым методом направленной кристаллизации и монокристаллического литья, применяемым для изготовления деталей газотурбинных двигателей, таких как сопловые и рабочие лопатки, блоки сопловых лопаток, сегменты камеры сгорания, форсунки и другие, для авиационной и автомобильной промышленности. Предложен сплав на основе интерметаллида Ni3Al, содержащий, мас.%: Al 8,0-8,8, Cr 5,0-6,0, W 2,2-3,0, Mo 3,0-4,0, Re 1,0-3,0, Ti 0,5-1,5, C 0,01-0,10, La 0,01-0,30, Zr 0,05-0,50, Hf 0,05-0,70, Y 0,01-0,10, Ni - остальное. Сплав характеризуется повышенными кратковременной прочностью при комнатной температуре и жаропрочностью при температуре 1100°С на базе 500 часов и при 1200°С на базе 100 часов. Использование предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni3Al повышает температуру газа перед турбиной, тягу двигателя, надежность деталей и увеличивает ресурс их работы. 2 табл.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным сплавам на основе интерметаллида Ni3Al, получаемым методом направленной кристаллизации и монокристаллического литья, применяемым для изготовления деталей газотурбинных двигателей, таких как сопловые и рабочие лопатки, блоки сопловых лопаток, сегменты камеры сгорания, форсунки и другие, для авиационной и автомобильной промышленности.
Известен сплав на основе интерметаллида Ni3Al следующего химического состава, мас.%:
| Al | 7,65-8,45 |
| Cr | 3,85-7,6 |
| Mo | 6,2-9,65 |
| Zr | 0,01-0,3 |
| B | 0,01-0,3 |
| Ni | остальное |
(патент US №6106640)
Недостатками этого сплава являются низкая (1-2%) пластичность в диапазоне температур 20-700°С и недостаточная жаростойкость при температурах 1000-1100°С.
Изделия из этого сплава используются для наземных силовых установок с ограниченным ресурсом работы.
Известен сплав на основе интерметаллида Ni3Al следующего химического состава, мас.%:
| Al | 7,7-8,7 |
| Cr | 5,0-6,0 |
| Co | 4,0-6,0 |
| W | 2,5-3,5 |
| Mo | 4,5-5,5 |
| Re | 1,2-1,8 |
| Ti | 0,3-0,8 |
| C | 0,001-0,02 |
| Zr | 0,05-0,5 |
| La | 0,002-0,20 |
| Ni | остальное |
(патент РФ №2256716)
Этот сплав обладает недостаточными кратковременной прочностью и жаропрочностью при температуре 1200°С и не работоспособен при температуре выше 1200°С.
Изделия из этого сплава, например рабочие или сопловые лопатки ГТД, имеют короткий ресурс работы, а также ограничена номенклатура отливаемых деталей.
Известен сплав на основе интерметаллида Ni3Al следующего химического состава, мас.%:
| Al | 9,2-9,6 |
| Cr | 4,2-4,8 |
| W | 2,7-3,2 |
| Mo | 2,8-3,2 |
| Та | 0,1-0,5 |
| Ti | 1,0-1,4 |
| C | 0,001-0,02 |
| Zr | 0,05-0,5 |
| La | 0,0015-0,015 |
| Ni | остальное |
(патент РФ №2256714)
Недостатками этого сплава является пониженная кратковременная прочность при комнатной температуре и недостаточная жаропрочность в интервале температур 1000-1100°С на базе испытания 500 часов.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является сплав на основе интерметаллида Ni3Al, имеющий следующий химический состав, мас.%:
| Al | 8,5-9,5 |
| Cr | 4,8-5,5 |
| W | 2,6-3,2 |
| Mo | 2,5-3,5 |
| Re | 1,0-3,5 |
| Ti | 1,0-1,6 |
| C | 0,001-0,005 |
| La | 0,0015-0,015 |
| Ni | остальное |
(патент РФ №2237093)
Недостатками этого сплава являются недостаточная кратковременная прочность при комнатной температуре и жаропрочность при температуре 1100°С на базе 500 часов и при 1200°С на базе 100 часов.
Изделия из этого сплава имеют ограниченный ресурс работы.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание сплава на основе интерметаллида Ni3Al, обладающего повышенными кратковременной прочностью при комнатной температуре и жаропрочностью при температуре 1100°С на базе 500 часов и при 1200°С на базе 100 часов.
Для достижения поставленной технической задачи предлагается сплав на основе интерметаллида Ni3Al, содержащий алюминий, хром, вольфрам, молибден, рений, титан, углерод, лантан, никель, который дополнительно содержит цирконий, гафний и иттрий, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Al | 8,0-8,8 |
| Cr | 5,0-6,0 |
| W | 2,2-3,0 |
| Mo | 3,0-4,0 |
| Re | 1,0-3,0 |
| Ti | 0,5-1,5 |
| C | 0,01-0,10 |
| La | 0,01-0,30 |
| Zr | 0,05-0,50 |
| Hf | 0,05-0,70 |
| Y | 0,01-0,10 |
| Ni | остальное |
Авторами было установлено, что при введении в состав циркония и гафния, связывающих углерод и действующих как раскислитель иттрия, при заявленном содержании и соотношениях компонентов в предлагаемом сплаве на основе интерметаллида Ni3Al наблюдается снижение содержания кислорода и примесей в расплаве и образование мелкодисперсных интерметаллидных фаз, при этом достигается наибольший эффект повышения кратковременной прочности при комнатной температуре и жаропрочности сплава при температурах 1100° на базе 500 часов и при 1200°С на базе 100 часов.
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 ⌀ 90 мм отбирали стружку на химический анализ. Результаты химического анализа составов сплава 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 для последующего переплава весом по 3,5 кг методом направленной кристаллизации.
С целью повышения жаропрочности сплава при высоких температурах, а также стабильности свойств, механически обработанные образцы и детали термообрабатывали на воздухе по следующему режиму: отжиг при температуре 1150±10°С в течение 1 ч, охлаждение на воздухе.
Свойства предлагаемого сплава с различным соотношением компонентов и сплава-прототипа, приведенные в таблице 2, определяли на стандартных образцах при соотношении 1/d=5. Критерием являются средние значения из 10 образцов на точку с доверительной вероятностью 0,8.
Свойства предлагаемого сплава с различным соотношением компонентов и сплава-прототипа, полученных по одной и той же технологической схеме, приведены в таблице 2.
Из таблицы 2 видно, что свойства предлагаемого сплава выше, чем свойства известного сплава-прототипа: кратковременная прочность при комнатной температуре (σ20 В) - на 10-24% и жаропрочность сплава на основе интерметаллида Ni3Al при температуре 1100°С на базе 500 часов (σ1100 500) - на 17,6-29,4% и при 1200°С на базе 100 часов (σ1200 100) - на 10,0-20,0%.
Использование предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni3Al повышает температуру газа перед турбиной, тягу двигателя, надежность деталей и увеличивает ресурс их работы.
| Таблица 1 | ||||||||||||
| состав | Содержание элементов, мас.% | |||||||||||
| Al | Cr | W | Mo | Re | Ti | C | La | Hf | Zr | Y | Ni | |
| 1 | 8,0 | 5,5 | 2,2 | 4,0 | 3,0 | 1,5 | 0,10 | 0,01 | 0,05 | 0,50 | 0,10 | ост. |
| 2 | 8,4 | 5,0 | 2,6 | 3,5 | 2,0 | 1,0 | 0,04 | 0,2 | 0,40 | 0,25 | 0,05 | ост. |
| 3 | 8,8 | 6,0 | 3,0 | 3,0 | 1,0 | 0,5 | 0,01 | 0,3 | 0,70 | 0,05 | 0,01 | ост. |
| прототип | 9,0 | 5,15 | 2,9 | 3,0 | 1,75 | 1,3 | 0,003 | 0,01 | - | - | - | ост. |
| Таблица 2 | |||
| Свойства | σв 20, кгс/мм2 | σ1100 500, кгс/мм2 | σ1200 100, кгс/мм2 |
| 1 | 174,0 | 10,0 | 5,8 |
| 2 | 155,6 | 10,5 | 6,0 |
| 3 | 156,8 | 11,0 | 5,5 |
| прототип | 140,2 | 8,5 | 5,0 |
Сплав на основе интерметаллида Ni3Al, содержащий алюминий, хром, вольфрам, молибден, рений, титан, углерод, лантан и никель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит цирконий, гафний и иттрий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Al | 8,0-8,8 |
| Cr | 5,0-6,0 |
| W | 2,2-3,0 |
| Mo | 3,0-4,0 |
| Re | 1,0-3,0 |
| Ti | 0,5-1,5 |
| C | 0,01-0,10 |
| La | 0,01-0,30 |
| Zr | 0,05-0,50 |
| Hf | 0,05-0,70 |
| V | 0,01-0,10 |
| Ni | остальное |
