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, и может быть использовано для изготовления деталей авиационных газотубинных двигателей. Сплав содержит в мас.%: алюминий 8,0-9,1, хром 5,0-6,5, 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, кобальт 4,0-6,0, рений 1,9-2,6, никель и технологические примеси - остальное. В качестве технологических примесей он содержит, в 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. Использование сплава в изделиях повышает их надежность и ресурс работы за счет повышения трещиностойкости, выносливости при малоцикловой усталости при рабочих температурах выше 900°С и повышения сопротивления термической усталости при термоциклировании в интервале температур 100-1100°С. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

 

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

Исходя из условий эксплуатации сплавы для деталей газотурбинных двигателей, особенно сопловых и рабочих лопаток, наряду с жаропрочностью и жаростойкостью должны обладать высокой стойкостью к знакопеременным нагрузкам и высокой термостойкостью. В связи с этим в данной области техники актуальной проблемой является создание сплавов, обладающих оптимальным сочетанием высокой жаропрочности с сохранением на достаточном уровне пластичности.

Известен литой сплав на основе интерметаллида Ni₃Аl, содержащий в 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, опубликован 27.06.1998).

Сплав обладает недостаточной жаростойкостью при рабочих температурах выше 900°С и склонен к трещинообразованию.

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

Известен сплав на основе интерметаллида Ni₃Аl, содержащий в мас.%: 7,7-8,7 алюминия, 5-6 хрома, 2,5-3,5 вольфрама, 4,5-5,5 молибдена, 0,3-0,8 титана, 0,001-0,02 углерода, 0,015-0,025 иттрия, 3,5-4,5 кобальта, 1,2-1,8 рения, 0,1-1,0 тантала, никель и технологические примеси - остальное (RU 2221890, опубликован 20.01.2004). ВКНА-25П

Недостатками сплава являются низкая прочность и недостаточная жаростойкость в интервале температур 650-1000°С, кроме того, сплав плохо противостоит действию теплосмен.

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

Наиболее близкими к предложенному изобретению являются литой сплав на основе интерметаллида Ni₃Al и изделие, выполненное из него, раскрытые в патенте RU №2351673, опубликованном 10.04.2009. Сплав содержит в 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.

Несмотря на то что сплав обладает высокими жаростойкостью и жаропрочностью при рабочих температурах выше 900°С, его стойкость к циклическим изменениям температуры и трещиностойкость при резких теплосменах недостаточны для использования его в изделиях, работающих в указанном температурном диапазоне.

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 термической стабильностью при рабочих температурах выше 900°С в условиях частых теплосмен и при циклических нагружениях.

Техническим результатом изобретения является повышение трещиностойкости, выносливости сплава при малоцикловой усталости при рабочих температурах выше 900°С и сопротивления термической усталости при термоциклировании в интервале температур 100-1100°С.

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

Алюминий	8,0-9,1
Хром	5,0-6,5
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
Кобальт	4,0-6,0
Рений	1,9-2,6
Никель и технологические примеси	Остальное

При этом в качестве технологических примесей сплав может содержать в 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 в изделии, выполненном из заявленного сплава. Сущность изобретения заключается в следующем.

Известно, что кобальт в литейных сплавах на основе никеля повышает их жаропрочность и пластичность, растворяясь преимущественно в γ-твердом растворе на основе Ni. Однако в сложнолегированных никелевых сплавах, содержащих вольфрам и молибден в суммарном количестве с кобальтом выше 10 мас.%, возможно образование крупных выделений топологически плотно упакованных (ТПУ) фаз типа Co₇W₆ на когерентных межфазных границах γ'/γ и на границах двух структурных составляющих γ'_перв/(γ'+γ)_{эвтектич,} что сильно охрупчивает сплав в условиях воздействия знакопеременных нагрузок при температурах 20-≥900°С и частых теплосмен, поскольку трещины в первую очередь возникают и распространяются по крупным выделениям ТПУ фаз типа Co₇W₆. Тугоплавкий рений (t_пл=3180°С) повышает температуру плавления интерметаллидного сплава, снижает скорость развития диффузионных процессов (как и другие тугоплавкие металлы W, Мо), но в отличие от них не образует с никелем интерметаллидных ТПУ фаз, охрупчивающих сплав. Кроме того, рений занимает позиции Ni (и Со) на когерентной межфазной границе γ'/γ и на границах двух структурных составляющих γ'_перв/(γ'+γ)_{эвтектич,} что улучшает прочность когерентных межфазных слоев γ'/γ, оказывает благоприятное воздействие на характеристики прочности и вязкости разрушения межфазной границы γ' Ni₃Al/γ Ni, поскольку препятствует выделению ТПУ фаз, образуемых Ni, Со и такими тугоплавкими металлами, как W и Мо. Это в свою очередь оказывает благоприятное воздействие на характеристики пластичности и вязкости разрушения литейных γ'+γ сплавов на основе γ' Ni₃Аl, что обеспечивает повышение выносливости и трещиностойкости при работе в условиях знакопеременных нагрузок сплава и термоциклирования.

Совместное введение в сплав с заявленным содержанием компонентов кобальта в количестве 4,0-6,0 мас.% и рения в количестве 1,9-2,6 мас.% создает оптимальное сочетание пластичности и жаропрочности в сплаве, а следовательно, и оптимальное сочетание жаропрочности, трещиностойкости и термической усталости при термоциклировании в интервале температур 100-1100°С. При уменьшении содержания кобальта ниже 4,0 мас.% и увеличении содержания рения выше 2,6 мас.% падает пластичность сплава, что приводит к созданию локальных трещин при высоких температурах, а следовательно, к снижению трещиностойкости и термической усталости. При увеличении содержания кобальта выше 6,0 мас.% и уменьшении содержания рения ниже 1,9 мас.% снижается жаропрочность сплава из-за высокой пластичности, а снижение температуры плавления способствует увеличению локальных трещин при рабочих температурах, что также приводит к снижению трещиностойкости и термической усталости.

Примеры осуществления изобретения.

Шихтовую заготовку из предлагаемого сплава различных составов и известного сплава (патент RU 2351673) выплавляли из чистых шихтовых материалов в вакуумной индукционной печи в тигле с основной футеровкой. После разливки сплавов в кокили D=50 мм отбирали стружку на химический анализ. Результаты химанализа сплавов приведены в таблице 1.

Таблица 1
Составы предлагаемого сплава и известного
№сплава	Содержание элементов, мас.%
Аl	Cr	W	Mo	Ti	С	Zr	Hf	La	Та	Re	Co	Ni
I	8,6	5,0	3,0	4,5	0,3	0,01	0,5	0,1	0,15	0,6	1,9	6,0	Ост.
II	9,1	5,7	2,5	5,5	0,5	0,001	0,24	0,3	0,10	1,0	2,0	4,6	Ост.
III	8,2	6,5	3,5	4,5	0,8	0,005	0,05	0,5	0,25	0,1	2,6	6,0	Ост.
Известный	8,5	5,8	3,1	4,0	0,6	0,005	0,25	0,25	0,2	0,5	-	-	Ост.

Шихтовую заготовку протачивали по поверхности на глубину 1-2 мм для удаления слоя, контактирующего с тиглем, затем разрезали на мерные заготовки весом по 2 кг для последующего переплава.

Полученные мерные заготовки плавили методом направленной кристаллизации в вакууме 1,5-2,5×10^-3 мм рт.ст. с получением образцов D=16 мм и длиной 150 мм и деталей в виде фасонных отливок. 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.

Свойства предлагаемого сплава с различным соотношением компонентов и известного сплава (по патенту RU 2351673), полученных по одной и той же технологической схеме, приведены в таблице 2.

Таблица 2
Свойства предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni3Al и известного сплава
Свойства	I	II	III	Известный
Малоцикловая усталость на базе N=104 циклов при осевой нагрузке, на гладких образцах, МПа
при 20°С	950	980	900	770
при 900°С	567	640	634	510
Малоцикловая усталость на базе N=104 циклов при осевой нагрузке, на образцах с надрезом при Кt=3,35, МПа
при 20°С	800	820	795	635
при 900°С	410	400	390	320
Число теплосмен N до разрушения при термоциклировании от 100 до 1100°С при напряжении Δσ=600 МПа
1500	1600	1480	600

Из таблицы 2 видно, что свойства предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Аl существенно выше, чем известного. Предел выносливости при испытаниях на малоцикловую усталость на базе 10⁴ цикла предполагаемого сплава при 20°С и 900°С выше на 25-27%, чем у известного сплава. Стойкость предлагаемого сплава к термоциклированию от 100 до 1100°С при напряжении Δσ=600 МПа выше, чем у известного сплава в 2,5 раза.

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

1. Литейный сплав на основе интерметаллида Ni₃Аl, содержащий алюминий, хром, вольфрам, молибден, титан, углерод, цирконий, лантан, гафний, тантал и никель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кобальт и рений при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Алюминий	8,0-9,1
Хром	5,0-6,5
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
Кобальт	4,0-6,0
Рений	1,9-2,6
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; 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.

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