Сплав на основе интерметаллида ni3al и изделие, выполненное из него


 


Владельцы патента RU 2484167:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU)

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству сплавов на основе интерметаллида Ni3Аl и изделиям, получаемым из них методом направленной кристаллизации, с монокристаллической или столбчатой структурами, например лопаток газовых турбин, работающих при температурах до 1200°С. Сплав характеризуется повышенными характеристиками кратковременной прочности в интервале температур 20-1200°С и длительной прочности в интервале температур 1000-1200°С. Сплав содержит, мас.%: алюминий 8,0-8,8, хром 3,0-4,0, молибден 4,0-5,0, вольфрам 2,0-3,0, углерод 0,002-0,05, кобальт 4,0-6,0, рений 0,15-0,65, лантан 0,005-0,25, тантал 5,6-6,4, церий 0,001-0,02, никель - остальное. Повышается надежность и ресурс выполненных из заявленного сплава турбинных лопаток с монокристаллической структурой при рабочих температурах до 1200°С. 2 н.п. ф-лы, 2 табл., 4 пр.

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству сплавов на основе интерметаллида Ni3Al и изделиям, получаемым из них методом направленной кристаллизации, с монокристаллической или столбчатой структурами, например лопаток газовых турбин, работающих при температурах до 1200°C.

Известен сплав на основе интерметаллида Ni3Аl следующего химического состава, атомн.%:

Алюминий 15,5-10,0
Хром 4-8
Молибден 3,5-5,5
Цирконий 0,04-0,2
Бор 0,04-1,5
Никель остальное

(патент США №6106640)

Известный сплав обладает недостаточной прочностью при растяжении и жаропрочностью при температуре 1200°С. Сплав имеет предел прочности 130 МПа, предел текучести 127 МПа; при температуре 1040°С и напряжении 11,9 МПа время до разрушения при испытании на длительную прочность сплава составляет 137,9 ч.

Из известного сплава изготавливают детали горячего тракта газотурбинного двигателя.

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

Алюминий 7,7-8,7
Хром 5,0-6,0
Молибден 4,5-5,5
Вольфрам 2,5-3,5
Титан 0,3-0,8
Углерод 0,001-0,02
Кобальт 4,0-6,0
Рений 1,2-1,8
Лантан 0,002-0,200
Цирконий 0,05-0,5
Никель Остальное

и изделие, выполненное

из него (патент РФ №2256716)

Недостатком известного сплава и изделия с монокристаллической структурой, например рабочие лопатки газовой турбины, выполненные из этого сплава, является склонность к образованию топологически плотноупакованных (ТПУ) фаз при длительном воздействии высоких температур. Отрицательное влияние ТПУ фаз на свойства сплава и изделия проявляется в том, что они служат источником зарождения микротрещин, ведущих к преждевременному разрушению изделий, выполненных из него. Кроме этого, ТПУ фазы связывают значительное количество легирующих элементов Re, Mo, W и, тем самым, обедняют ими фазы на основе интерметаллида Ni3Al (γ'-фаза) и на основе никеля (γ-фаза), повышая скорость диффузии атомов компонентов сплава и, следовательно, понижая сопротивление высокотемпературной ползучести. В результате известный сплав и изделия, выполненные из него, обладают недостаточной прочностью при растяжении и жаропрочностью: при температуре 1200°С сплав с монокристаллической структурой в кристаллографическом направлении [001] имеет предел прочности ~170 МПа, предел текучести ~165 МПа; долговечность сплава при испытании на длительную прочность при напряжении 40 МПа составляет ~90 ч.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является сплав на основе интерметаллида Ni3Al, имеющий следующий химический состав, масс.%:

Алюминий 7,8-9,0
Хром 4,5-5,5
Молибден 4,5-5,5
Вольфрам 1,8-2,5
Титан 0,6-1,2
Углерод 0,007-0,02
Кобальт 3,5-4,5
Лантан 0,0015-0,015
Никель остальное (патент РФ №2114206)

Сплав-прототип с монокристаллической структурой в кристаллографическом направлении [001] обладает недостаточно высокими характеристиками кратковременной и длительной прочности, что не обеспечивает достижения требуемых показателей надежности и ресурса изделий с монокристаллической структурой в кристаллографическом направлении [001], например сопловых лопаток газовой турбины, выполненных из сплава-прототипа.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание сплава на основе интерметаллида Ni3Al и изделия, выполненного из него, обладающих повышенными характеристиками кратковременной прочности в интервале температур 20-1200°С и длительной прочности в интервале температур 1000-1200°С.

Для достижения поставленной технической задачи предлагается сплав на основе интерметаллида Ni3Al, содержащий алюминий, хром, молибден, вольфрам, углерод, кобальт, лантан, который дополнительно содержит рений, тантал и церий при следующем соотношении компонентов, масс.%:

Алюминий 8,0-8,8
Хром 3,0-4,0
Молибден 4,0-5,0
Вольфрам 2,0-3,0
Углерод 0,002-0,05
Кобальт 4,0-6,0
Рений 0,15-0,65
Лантан 0,005-0,25
Тантал 5,6-6,4
Церий 0,001-0,02
Никель остальное

и изделие, выполненное из него

При дополнительном легировании танталом предлагаемого сплава повышение характеристик кратковременной и длительной прочности достигается за счет увеличения периода кристаллической решетки интерметаллидной γ'-фазы на основе Ni3Al, содержание которой в структуре сплава составляет ~90% (по объему). Тантал в основном растворяется в γ'-фазе сплава с коэффициентом распределения между γ'-фазой и равновесным с ней γ-раствором, равным ~3. Поэтому действие тантала в заявленном соотношении вызывает значительно большее увеличение периода кристаллической решетки интерметаллидной γ'-фазы по сравнению с влиянием других компонентов сплава на этот важный фактор прочности и жаропрочности.

Введение в состав сплава на основе интерметаллида Ni3Al рения, который растворяется практически полностью в γ-фазе, занимающей в структуре сплава ~10% (по объему), понижает диффузионную подвижность атомов компонентов в этой фазе, и, следовательно, повышает их высокотемпературные характеристики кратковременной прочности и сопротивление длительной высокотемпературной ползучести.

Введение в состав предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni3Al редкоземельного элемента церия за счет синергетического действия с редкоземельным элементом лантаном при заявленном соотношении остальных легирующих элементов значительно усиливает влияние этих редкоземельных элементов на упрочнение межфазных поверхностей раздела в сплаве на основе интерметаллида Ni3Al между γ'-фазой и равновесным с ней γ-твердым раствором, усиливая при высоких температурах сопротивление высокотемпературной ползучести, окислению и коррозии сплава и изделия из него.

Исключение из химического состава заявляемого сплава на основе интерметаллида Ni3Al титана наряду с легированием более тугоплавкими элементами танталом и рением способствует увеличению температуры плавления сплава и изделия из него и тем самым понижает их гомологическую температуру. Поэтому в соответствии с известным соотношением Di=D0ехр(-18/Tгом) (здесь Di - коэффициенты диффузии легирующих i элементов, Тгом=T/Tпл - гомологическая температура) диффузионная подвижность атомов компонентов в таком сплаве будет ниже и, следовательно, длительная прочность выше.

Изделия из предлагаемого сплава, например лопатки газовых турбин, будут иметь повышенную долговечность, а следовательно, надежность и ресурс.

Примеры осуществления

В вакуумной индукционной печи были выплавлены три сплава предлагаемого состава и один сплав состава, взятого за прототип. Химические составы (в масс.%) предлагаемого сплава и сплава-прототипа приведены в таблице 1. Затем выплавленные сплавы переплавляли в вакуумной установке для направленной кристаллизации и получали изделия с монокристаллической структурой, главная ось симметрии которых совпадала с кристаллографическим направлением роста [001], в виде отливок (диаметр 16 мм, длина 185 мм). Далее из этих отливок изготавливали образцы для дифференциального термического анализа, по результатам которого определяли температуру плавления Тпл. С учетом измеренной температуры плавления отливки с монокристаллической структурой подвергали высокотемпературной термической обработке, включающей гомогенизирующий отжиг с последующим охлаждением с контролируемой скоростью. Из термически обработанных таким образом монокристаллических отливок изготавливали образцы для механических испытаний (длина образца 70 мм, рабочая база 25 мм, рабочий диаметр 5 мм) на растяжение и длительную прочность и рентгеноструктурного анализа, по результатам которых определяли предел прочности, предел текучести, длительную прочность и период кристаллической решетки γ'-фазы. Механические испытания проводили в атмосфере воздуха при температурах 20 и 1200°С, длительную прочность - при температурах 1000 и 1200°С и напряжениях 170 и 50 МПа соответственно, определение периода кристаллической решетки γ'-фазы осуществлялось при комнатной температуре. Полученные характеристики композиций сплава-прототипа, заявляемого сплава и изделий, выполненных из него, приведены в таблице 2.

Как видно из таблицы 2, предлагаемый сплав имеет более высокие значения температуры плавления (на 12-20°С), периода кристаллической решетки γ'-фазы (на 0,0006-0,0008 нм), чем сплав, взятый за прототип. В результате повышения этих структурно-фазовых характеристик и совместного действия редкоземельных элементов характеристики кратковременной прочности при температурах 20 и 1200°С предлагаемого сплава соответственно на 46-70% и 44-47% больше, чем сплава и изделий из него, взятого за прототип.

Таблица 1
№ п/п Al Cr Mo W Ti С Со La Та Re Се Ni
1 Сплав-прототип 8,5 5,0 5,0 2,1 0,9 0,01 4,0 0,015 - - - Ост.
2 Предлагаемый сплав 8,0 4,0 5,0 2,0 - 0,002 6,0 0,25 6,4 0,15 0,001 Ост.
3 8,4 3,5 4,5 3,0 - 0,05 4,0 0,005 5,6 0,4 0,01 Ост.
4 8,8 3,0 4,0 2,5 - 0,02 5,0 0,12 6,0 0,65 0,02 Ост.
Таблица 2
№ п/п Сплав Тпл, °C αγ', нм σB (20°C) σ0,2 (20°С) σB (1200°С) σ0,2 (1200°С) Время до разрушения при испытании на длительную прочность, ч
МПа 1000°С, σ=170, МПа 1200°С, σ=50, МПа
1 Сплав-прототип 1318 0,35739 548 323 195 187 59 68
2 Предлагаемый сплав 1331 0,35819 870 550 315 300 112 117
3 1330 0,35805 840 550 290 285 105 93
4 1338 0,35801 820 560 280 275 94 98
Тпл - температура плавления; αγ' - период кристаллической решетки γ' - фазы на основе интерметаллида Ni3Al; σB - предел прочности; σ0,2 - предел текучести; σ - напряжение

Характеристика длительной прочности - долговечность (время до разрушения) - предлагаемого сплава больше в 1,6 раза при температуре 1000°С и в 1,4 раза при температуре 1200°С, чем сплава-прототипа.

Повышенные значения температуры плавления и характеристик высокотемпературной прочности, которые имеет предлагаемый сплав по сравнению со сплавом, взятым за прототип, позволяют получать из предлагаемого сплава при направленной кристаллизации более совершенную монокристаллическую структуру отливок деталей с заданным кристаллографическим направлением.

Таким образом, предлагаемый сплав на основе интерметаллида Ni3Al значительно превосходит сплав-прототип по характеристикам кратковременной и длительной прочности, что позволяет повысить надежность и ресурс турбинных лопаток с монокристаллической структурой при рабочих температурах до 1200°С.

1. Сплав на основе интерметаллида Ni3Al, содержащий алюминий, хром, молибден, вольфрам, углерод, кобальт, лантан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит рений, тантал и церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Алюминий 8,0-8,8
Хром 3,0-4,0
Молибден 4,0-5,0
Вольфрам 2,0-3,0
Углерод 0,002-0,05
Кобальт 4,0-6,0
Рений 0,15-0,65
Лантан 0,005-0,25
Тантал 5,6-6,4
Церий 0,001-0,02
Никель остальное

2. Изделие из сплава на основе интерметаллида Ni3Аl, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п.1.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии, в частности к монокристаллическим суперсплавам на основе никеля. .

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам на основе никеля, используемым в качестве материала для получения износо- и коррозионно-стойких покрытий на функционально- конструкционных элементах методом микроплазменного или сверхзвукового холодного газодинамического напыления.
Изобретение относится к подходящему для обжига сплаву для получения облицованной керамикой реставрации зуба, например, для получения коронок, мостов, пломб и других зубных протезов, которые должны быть снабжены керамической поверхностью, а также к соответствующей облицованной реставрации зуба.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным сплавам на основе никеля, предназначенным для производства методом направленной кристаллизации деталей высокотемпературных газовых турбин ГТД и ГТУ, преимущественно монокристаллических рабочих, сопловых лопаток и других элементов горячего тракта турбины, длительно работающих при температурах, превышающих 1000°С.

Изобретение относится к способу нанесения теплобарьерного покрытия на основе диоксида циркония на монокристаллический жаропрочный сплав на основе никеля, имеющего следующий состав, мас.%: 3,5-7,5 Сr, 0-1,5 Мо, 1,5-5,5 Re, 2,5-5,5 Ru, 3,5-8,5 W, 5-6,5 Al, 0-2,5 Ti, 4,5-9 Та, 0,08-0,12 Hf, 0,08-0,12 Si, остальное до 100% составляют Ni и неизбежные примеси.
Изобретение относится к коррозионно-стойким сплавам на основе никеля, предназначенным для изготовления цельнолитых и металлокерамических зубных коронок и мостовидных протезов.

Изобретение относится к области металлурги, в частности к сплавам на основе никеля, и его применению. .
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при изготовлении деталей горячего тракта газотурбинных двигателей, таких как направляющие аппараты компрессоров и сопловые аппараты турбин из деформированных и литых жаропрочных никелевых сплавов.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к суперсплаву на никелевой основе с упрочняющей гамма-штрих-фазой, и может быть использовано в горячих компонентах, таких как лопатки турбин.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным сплавам с литой структурой на хромоникелевой основе с карбидным упрочнением, и может быть использовано при создании установок высокотемпературного пиролиза для нефтехимических отраслей промышленности.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к жаропрочным хромоникелевым сплавам с аустенитной структурой, и может быть использовано при изготовлении отливок для коллекторов и реакционных труб печей риформинга крупнотоннажных агрегатов аммиака и метанола с температурой эксплуатации до 1200°С и давлении до 50 атм

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сверхпрочным сплавам на основе никеля, предназначенным для изготовления деталей наземных или авиационных турбин. Сверхпрочный сплав имеет состав, мас.%: 1,3%≤Al≤2,8%, следовые количества ≤Со≤11%, 14%≤Cr≤17%, следовые количества ≤Fe≤12%, 2%≤Мо≤5%, 0,5%≤Nb+Ta≤2,5%, 2,5%≤Ti≤4,5%, 1%≤W≤4%, 0,0030%≤В≤0,030%, следовые количества ≤С≤0,1%, 0,01%≤Zr≤0,06%, никель и неизбежные примеси - остальное, причем содержание элементов выражено, ат.%: 8≤Al ат.%+Ti ат.%+Nb ат.%+Та ат.%≤11, 0,7≤(Ti ат.%+Nb ат.%+Та ат.%)/Al ат.%≤1,3. Раскрыта деталь из сверхпрочного сплава, которая представляет собой часть авиационной или наземной газовой турбины. Сплав обладает высокими механическими свойствами при высокой температуре, ковкостью. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл., 10 пр.
Изобретение относится к металлургии, а именно к γ/γ'-суперсплавам на основе никеля. Сплав содержит, вес.%: вплоть до 20 суммы Со и Fe, между 17 и 21 Сr, между 0,5 и 3 суммы Мо и W, не более 2 Мо, между 4,8 и 6 Аl, между 1,5 и 5 Та, между 0,01 и 0,2 суммы С и В, между 0,01 и 0,2 Zr, между 0,05 и 1,5 Hf, между 0,05 и 1,0 Si, и между 0,01 и 0,5 суммы по меньшей мере двух элементов из актиноидов и редкоземельных металлов, таких как Sc, Y и лантаноиды, причем содержание каждого элемента составляет не более 0,3. Сплав применяют в высокотемпературных компонентах, представляющих собой рабочие лопатки, направляющие лопатки, тепловые экраны, уплотнения или детали камеры сгорания в газовых турбинах, а также в качестве присадочного сплава для ремонтной сварки и/или плакирования таких высокотемпературных компонентов. Сплав обладает высокими показателями устойчивости к окислению, стойкости к высокотемпературной коррозии, прочности и пластичности, свариваемости. 6 н. и 15 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сварочному присадочному материалу, и может быть использовано при ремонтной сварке лопаток газовых турбин и деталей из жаропрочных сплавов на никелевой основе, работающих в горячем газе, с помощью ручной и автоматизированной сварки при комнатной температуре. Сварочный присадочный материал содержит, в мас.%: хром 10,0-20,0, кобальт 5,0-15,0, молибден 0,0-10,0, тантал 0,5-3,5, титан 0,0-5,0, алюминий 1,5-5,0, бор 0,3-0,6, углерод 0,05-0,30, гафний 0,05-0,7, необязательно железо максимально 1,8, марганец максимально 0,15, сера максимально 0,03, фосфор максимально 0,06, лантан максимально 0,2, кремний максимально 0,7, цирконий максимально 0,2, остальное - никель. Улучшается свариваемость и повышается стойкость к образованию горячих трещин в сварном соединении. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным, стойким к окислению сплавам, пригодным для сварки. Сплав содержит следующие компоненты, масс.%: 25-32 железа, 18-25 хрома, 3,0-4,5 алюминия, 0,2-0,6 титана, 0,2-0,4 кремния, 0,2-0,5 марганца, до 2,0 кобальта, до 0,5 молибдена, до 0,5 вольфрама, до 0,01 магния, до 0,25 углерода, до 0,025 циркония, до 0,01 иттрия, до 0,01 церия, до 0,01 лантана, никель и примеси - остальное. Содержание Al+Ti составляет от 3,4 до 4,2 масс.%, а хром и алюминий присутствуют в таких количествах, чтобы отношение Cr/Al составляло от 4,5 до 8. Сплав характеризуется высокой жаропрочностью, стойкостью к окислению, низкой склонностью к образованию и росту сварочных трещин при затвердевании и хорошей стойкостью к растрескиванию в результате деформационного старения. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил., 17 табл.

Изобретение относится к области термической обработки. Техническим результатом изобретения является снижение твердости и стабилизация ее значений упрочненных заготовок из сплава Х65НВФТ. Это приводит к повышению стойкости режущего инструмента и стабилизации значений стойкости при обработке таких заготовок. Для достижения технического результата упрочненные заготовки из сплава Х65НВФТ на основе хрома подвергают разупрочняющей термической обработке, включающей отжиг при 900°C с изотермической выдержкой в течение 16 часов, медленное, со скоростью 30-50°C/час, охлаждение после изотермической выдержки до 650-550°C, а затем на воздухе. 1 табл., 1 ил., 1 пр.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к термической обработке заготовок из сплава Х65НВФТ на основе хрома. Для повышения жаростойкости сплава заготовку из сплава Х65НВФТ подвергают закалке путем нагрева до температуры 1270±10°C с выдержкой при этой температуре в течение 20 мин и охлаждают в масло. Указанная термическая обработка обеспечивает получение крупнозернистой однофазной структуры. 1 табл., 1 ил., 1 пр.
Изобретение относится к металлургии, в частности к конструкционным материалам для ядерных энергетических установок и к материалам для свариваемых деталей и конструкций, работающих при повышенных температурах в высокоагрессивных средах. Сплав на основе никеля содержит, мас.%: хром 38-44, по крайней мере, один металл, выбранный из группы, содержащей молибден и вольфрам, 1-3, церий 0,01-0,2, магний 0,005-0,05, азот 0,05-0,25, никель - остальное. Сплав характеризуется повышенными механическими свойствами, устойчивостью к радиационному охрупчиванию, а также высокой коррозионной стойкостью сварных соединений. 8 табл.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам на основе интерметаллида Ni3Al с монокристаллической структурой и выполненным из них изделиям, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям, таким как рабочие и сопловые лопатки, блоки сопловых лопаток и другие детали газотурбинных двигателей авиационной, автомобильной промышленности. Сплав на основе интерметаллида Ni3Al с монокристаллической структурой имеет следующий химический состав, масс.%: Al 8,0-9,0, Cr 4,5-5,5, W 2,0-2,8, Mo 3,5-4,3, Ti 0,3-0,7, Co 4,5-5,5, Re 1,2-1,8, C 0,001-0,05, La 0,0015-0,015, Y 0,015-0,03, Ni - остальное. Сплав характеризуется повышенной жаропрочностью при температурах 1000 и 1100°С на базах испытания 100 и 500 часов. Использование монокристаллического сплава на основе интерметаллида Ni3Al повышает надежность изделий и увеличивает ресурс их работы. 2 н.п. ф-лы, 2 табл., 3 пр.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к жаропрочным порошковым сплавам на основе никеля, обладающим повышенным сопротивлением к сульфидной коррозии, и может быть использовано для изготовления деталей газотурбинных двигателей. Сплав содержит, мас.%: углерод 0,02-0,10, хром 9,0-11,0, кобальт 14,0-16,0, вольфрам 4,2-5,8, молибден 4,5-5,0, титан 3,0-3,9, алюминий 3,2-4,5, ниобий 2,5-3,5, гафний 0,05-0,5, бор 0,005-0,05, цирконий 0,001-0,05, магний 0,001-0,05, скандий 0,001-0,05, марганец 0,001-0,5, кремний 0,001-0,5, железо 0,001-1,0, никель остальное, при этом суммарное содержание титана, молибдена, ниобия не ниже содержания хрома. Сплав характеризуется высокими характеристиками жаропрочности, стойкости к сульфидной коррозии и сопротивления МЦУ в условиях воздействия агрессивной среды. 2 н.п. ф-лы, 1 табл., 1 пр.
Наверх