Сплав на основе интерметаллида ni3al с монокристаллической структурой и изделие, выполненное из него


 


Владельцы патента RU 2516215:

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

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, а именно, к сплавам на основе интерметаллида Ni3Al с монокристаллической структурой и изделиям, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям, таким как, рабочие и сопловые лопатки, блоки сопловых лопаток и другие детали газотурбинных двигателей (ГТД) авиационной, автомобильной промышленности.

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

Al 7,0-20,0
W 0,5-10,0
Mo 0,5-9,0
Ti 2,0-15,0
В 0-0,2
Mn 0-0,5
Si 0-0,5
Hf 0-0,5
Ni остальное

(Патент США №5167732).

Недостатком известного сплава является хрупкость при комнатной температуре и невысокая (до 900°C) рабочая температура.

Изделия из этого сплава используются для наземных ГТД при температурах эксплуатации до 900°C.

Известен также сплав на основе интерметаллида Ni3Al с монокристаллической структурой следующего химического состава, масс.%:

Al 7,8-9,04
Cr 5,0-6,5
W 2,7-4,0
Mo 3,0-4,0
Ti 0,8-1,5
С 0,001-0,02
La 0,016-0,25
Zr 0,05-0,5
Ni остальное

и изделие, выполненное из него (Патент РФ №2353692).

Недостатком этого сплава является неудовлетворительная выносливость при температурах 20 и 900°C.

Из этого сплава невозможно изготовление ответственных силовых деталей, таких как рабочие лопатки турбин низкого и высокого давления ГТД.

Известен сплав на основе интерметаллида Ni3Al, получаемый методом точного литья по выплавляемым моделям, с монокристаллической структурой, следующего химического состава, масс.%:

Al 8,0-9,0
Cr 4,5-5,5
W 1,8-2,5
Mo 4,5-5,5
Ti 0,6-1,2
С 0,01-0,08
Со 3,5-4,5
La 0,0015-0,015
Sc 0,015-0,03
Ni остальное

и изделие, выполненное из него (Патент РФ №2349663).

Недостатком сплава является неудовлетворительные кратковременная прочность и жаропрочность при температуре 1100°C на базе 100 часов, что ограничивает номенклатуру отливаемых изделий.

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

Al 7,7-8,7
Cr 5,0-6,0
W 2,5-3,5
Mo 4,5-5,5
Ti 0,3-0,8
С 0,001-0,02
Со 4,0-6,0
Re 1,2-1,8
La 0,002-0,200
Zr 0,05-0,5
Ni остальное

и изделие, выполненное из него (Патент РФ №2256716).

Недостатком этого сплава является неудовлетворительная жаропрочность при температурах 1000 и 1100°C на базах испытания 100 и 500 часов.

Недостатком изделий, выполненных из этого сплава, является низкий выход годного при отливке изделий с монокристаллической структурой.

Технической задачей изобретения является создание сплава на основе интерметаллида Ni3Al с монокристаллической структурой с повышенной жаропрочностью при температурах 1000 и 1100°C на базах испытания 100 и 500 часов, повышение выхода годного при отливке изделий.

Для достижения поставленной технической задачи предложен сплав на основе интерметаллида Ni3Al с монокристаллической структурой, содержащий алюминий, хром, вольфрам, молибден, титан, кобальт, рений, углерод, лантан, никель, который дополнительно содержит иттрий, при следующем соотношении компонентов, 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
С 0,001-0,05
La 0,0015-0,015
Y 0,015-0,03
Ni остальное

и изделие, выполненное из него.

Сплав может содержать в виде примесей следующие элементы, масс.%: серу ≤0,005, фосфор ≤0,015, железо ≤0,5, кремний ≤0,4; свинец ≤0,001, висмут ≤0,0005, олово ≤0,003 и сурьму ≤0,003.

Было установлено, что снижение содержания молибдена в сплаве приводит к повышению жаростойкости, следовательно, и жаропрочности. При введении в состав иттрия, действующего как раскислитель, в предлагаемом сплаве на основе интерметаллида Ni3Al наблюдается снижение содержания кислорода в расплаве, образование частиц мелкодисперсных наноразмерной интерметаллидной фазы типа Ni5Y, которые выделяются на межфазных границах, тормозят движение дислокации и развитие трещин. При снижении содержания иттрия ниже заявленного предела не происходит образование интерметаллидной фазы типа Ni5Y, a Y выполняет роль только раскислителя. Увеличение содержания иттрия выше заявленного предела приводит к образованию легкоплавкой фазы типа Ni7Y2 (Тпл.=1237°С).

При заявленном содержании и соотношениях компонентов в предлагаемом сплаве на основе интерметаллида Ni3Al достигается наибольший эффект повышения жаропрочности сплава при температурах 1000 и 1100°С на базах испытания 100 и 500 часов и повышения выхода годного при отливке изделий с монокристаллической структурой.

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.

Содержание легирующих элементов, газов и примесей определяли по стандартным методикам.

Перед последующими операциями шихтовую заготовку протачивали по поверхности на глубину 1-2 мм для удаления слоя, контактирующего с чугуном, затем разрезали на мерные заготовки весом по 3,2 кг для последующего переплава.

Заготовки под образцы ⌀ 16 мм и длиной 150 мм и отливки изделий (сопловых лопаток ГТД) с монокристаллической структурой получали методом точного литья по выплавляемым моделям с использованием затравок заданной кристаллографической ориентации (КГО).

Поверхность заготовок образцов и отливок изделий контролировали путем выявления макроструктуры травлением в смеси соляной кислоты и перекиси водорода. При наличии одного макрозерна вдоль оси образца - отливки считаются монокристаллическими. Монокристаллические отливки, признанные годными по макроструктуре, подвергали 100% рентгеновскому контролю для определения кристаллографической ориентации и отклонений от КГО. Годными по монокристаллической структуре считали отливки с отклонением по КГО≤10°С.

С целью снятия остаточных напряжений и повышения 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 l/d=5. Критерием являются средние значения из 10 образцов на точку с доверительной вероятностью 0,8.

Из таблицы 2 видно, что свойства предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni3Al выше, чем свойства известного сплава-прототипа: жаропрочность при температуре 1000°С на базе испытания 100 часов (σ1000100) - на 10,5-13,0%; жаропрочность при температуре 1000°С на базе испытания 500 часов (σ1000500) - на 15-20,5%; жаропрочность при температуре 1100°С на базе испытания 100 часов (σ1100100) - на 10-12,0%; жаропрочность при температуре 1100°С на базе испытания 500 часов (σ1100500) на 11,5-23,5%; выход годного по монокристаллической структуре отливок деталей - выше на 25-32,5%.

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

Таблица 1
Составы предлагаемого сплава и сплава-прототипа
Состав Содержание элементов, масс.%
Al Cr W Mo Ti Co Re С La Zr Y Ni
1 8,5 5,0 2,5 4,0 0,5 5,0 1,5 0,03 0,010 - 0,02 ост.
2 8,0 5,5 2,0 3,5 0,3 4,5 1,2 0,05 0,0015 - 0,03 ост.
3 9,0 4,5 2,8 4,3 0,7 5,5 1,8 0,001 0,015 - 0,015 ост.
Прототип 8,3 5,8 3,0 5,0 0,5 5,0 1,5 0,01 0,1 0,3 - ост.
Таблица 2
Свойства предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni3Al с монокристаллической структурой и сплава-прототипа
Свойства σ1000100, МПа σ1000500, МПа σ1100100, МПа σ1100500, МПа выход годного при получении монокристаллической структуры, %
1 260,0 196,0 134,5 93,0 82,5
2 260,0 191,5 135,0 98,0 80,5
3 255,0 201,0 137,5 103,0 75,0
Прототип 230,5 166,5 122,5 83,5 50,0

1. Сплав на основе интерметаллида Ni3Al с монокристаллической структурой, содержащий алюминий, хром, вольфрам, молибден, титан, кобальт, рений, углерод, лантан, никель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит иттрий, при следующем соотношении компонентов, масс.%:

Al 8,0-9,0
Cr 4,5-5,5
W 2,0-2,8
Мо 3,5-4,3
Ti 0,3-0,7
Co 4,5-5,5
Re 1,2-1,8
С 0,001-0,05
La 0,0015-0,015
Y 0,015-0,03
Ni остальное

2. Изделие из сплава на основе интерметаллида Ni3Al с монокристаллической структурой, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п.1.



 

Похожие патенты:
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.

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.

Изобретение относится к области термической обработки. Техническим результатом изобретения является снижение твердости и стабилизация ее значений упрочненных заготовок из сплава Х65НВФТ.

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.

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.
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.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сверхпрочным сплавам на основе никеля, предназначенным для изготовления деталей наземных или авиационных турбин.
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 производству сплавов на основе интерметаллида Ni3 Аl и изделиям, получаемым из них методом направленной кристаллизации, с монокристаллической или столбчатой структурами, например лопаток газовых турбин, работающих при температурах до 1200°С.

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

Изобретение относится к области металлургии, в частности, к дисперсно-упрочненному сплаву на основе никеля, образующему оксид алюминия на поверхности и предназначенному для применения при высоких температурах. Сплав содержит, в вес.%: C 0,05-0,2, Si макс. 1,5, Mn макс. 0,5, Cr 15-20, Al 4-6, Fe 15-25, Co макс. 10, N 0,03-0,15, O макс. 0,5, один или более элементов, выбранных из группы, состоящей из Ta, Zr, Hf, Ti и Nb 0,25-2,2, один или более элементов, выбранных из группы, состоящей из REM макс. 0,5, остальное Ni и примеси. Сплав применяют в качестве конструкционного материала для устройств, работающих при высоких температурах. Сплав характеризуется высокой стойкостью к окислению при высоких температурах, высоким пределом ползучести. 5 н. и 20 з.п.ф-лы, 14 ил., 6 табл.

Изобретение относится к монокристаллическому суперсплаву на основе Ni и может быть использовано для изготовления из него лопаток турбины. Сплав имеет следующий состав по массе: 6,0 мас.% или более и 9,9 мас.% или менее Co, 6,5 мас.% или более и 10,0 мас.% или менее Cr, 1,0 мас.% или более и 4,0 мас.% или менее Mo, 8,1 мас.% или более и 11,0 мас.% или менее W, 4,0 мас.% или более и 9,0 мас.% или менее Та, 5,2 мас.% или более и 7,0 мас.% или менее Al, 0,1 мас.% или более и 2,0 мас.% или менее Ti, 0,05 мас.% или более и 0,3 мас.% или менее Hf, 0-1,0 мас.% Nb и 0-0,8 мас.% Re при остатке, включающем Ni и неизбежные примеси. Сплав обладает высокими значениями жаропрочности, прочности при ползучести. 2 н. и 2 з.п.ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к металлургии, в частности к литейным жаропрочным коррозионно-стойким сплавам на основе никеля, и может быть использовано для изготовления литьем деталей горячего тракта газотурбинных установок, например рабочих лопаток газотурбинного двигателя с равноосной, направленной и монокристаллической структурами, работающих в агрессивных средах при температурах 700-1000°C. Жаропрочный сплав на основе никеля для литья деталей горячего тракта газотурбинных установок содержит, мас.%: углерод 0,08-0,10, хром 8,85-9,15, кобальт 10,4-10,8, вольфрам 5,60-5,85, молибден 0,20-0,30, титан 3,0-3,2, алюминий 3,7-3,9, тантал 3,9-4,1, рений 2,9-3,1, ниобий 0,10-0,15, церий 0,010-0,012, иттрий 0,010-0,012, лантан 0,010-0,012, магний 0,010-0,012, гафний 0,10-0,15, бор 0,08-0,012, никель - остальное. Cуммарное содержание церия, иттрия, лантана и магния составляет не менее 0,040-0,048 мас.%, суммарное содержание гафния и ниобия - 0,2-0,3 мас.%, а суммарное содержание алюминия и титана - 6,8-7,1 мас.% при отношении содержания титана к содержанию алюминия 0,81-0,825. Сплав характеризуется повышенной длительной прочностью в сочетании с высоким сопротивлением окислению и коррозионным воздействиям. 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к никелевым сплавам, и может быть использовано при производстве сопловых и рабочих охлаждаемых лопаток газотурбинных двигателей и установок. Жаропрочный никелевый сплав, обладающий высоким сопротивлением к сульфидной коррозии в сочетании с высокой жаропрочностью, содержит, мас.%: хром 9-16, кобальт 10-16, вольфрам 4-9, молибден 0,2-3,0, алюминий 1,8-4,5, титан 2,0-4,5, тантал 2,5-7,0, ниобий 0,01-1,5, бор 0,01-0,5, лантан 0,01-0,5, иттрий 0,01-0,2, церий 0,01-0,2, рений 0,5-5,0, гафний 0,1-1,0, марганец 0,05-1,0, кремний 0,05-1,0, магний 0,01-0,2, никель - остальное. Сплав обладает высоким сопротивлением к сульфидной коррозии в сочетании с высокой жаропрочностью. 1 табл.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным сплавам на основе интерметаллида Ni3Al и изделиям, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям с дендритной столбчатой структурой, таким как, например, сопловые лопатки, блоки сопловых лопаток и другие детали газотурбинных двигателей авиационной и автомобильной промышленности. Сплав на основе интерметаллида Ni3Al имеет следующий химический состав, мас.%: Al 8,4-9,0, Cr 4,5-5,5, W 3,0-3,8, Mo 3,0-3,8, Ti 0,3-0,8, Co 6,5-7,5, C 0,02-0,08, La 0,0015-0,015, Hf 0,3-0,8, Ni - остальное. Сплав на основе интерметаллида Ni3Al характеризуется повышенной жаропрочностью при температурах 1000 и 1050°C на базах испытания 100, 500 и 1000 часов. Использование предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni3Al повысит надежность изделий и увеличит ресурс их работы. 2 н.п. ф-лы, 2 табл., 3 пр.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам на основе никеля защитных покрытий деталей газовой турбины. Сплав на основе никеля для защитного покрытия деталей газовой турбины содержит, мас.%: 24-26 кобальта, 16-25 хрома, 9-12 алюминия, 0,1-0,7 иттрия и/или по меньшей мере одного металла из группы, содержащей скандий и редкоземельные элементы, необязательно, 0,1-0,7 фосфора, необязательно, 0,1-0,6 кремния, не содержит рений, никель - остальное. Защитный слой имеет высокую устойчивость к коррозии и окислению при высокой температуре. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к металлическому покрытию с фазами γ- и γ'. Металлическое покрытие из сплава на основе никеля для деталей газовых турбин содержит γ- и γ'-фазы, при этом сплав содержит, мас.%: железо 0,5-5, кобальт по меньшей мере 1, хром по меньшей мере 1, алюминий по меньшей мере 1, и, при необходимости, тантал (Та) и/или иттрий (Y). Покрытие обладает длительным сроком службы, высокими механическими свойствами и улучшенной стойкостью к окислению. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к металлическому покрытию со связующим, и может быть использовано в качестве покрытия для детали газовой турбины. Металлическое покрытие из сплава на основе никеля для деталей газовых турбин содержит γ- и γ'-фазы и, необязательно, β-фазу, при этом сплав содержит, вес.%: тантал 0,1-7,0, кобальт по меньшей мере 1, хром от 12 до 22, предпочтительно от 15 до 19, алюминий от 5 до 15, предпочтительно от 8 до 12, причем сплав предпочтительно не содержит кремний (Si), и/или гафний (Hf), и/или цирконий. Покрытие характеризуется высокими термомеханическими свойствами и стойкостью к окислению, а также длительным сроком службы. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к металлургии, в частности к литейным жаропрочным коррозионностойким сплавам на основе никеля, и может быть использовано для изготовления литьем деталей горячего тракта газотурбинных установок, работающих в агрессивных средах при температурах 800-1000°C. Жаропрочный сплав на основе никеля для литья рабочих лопаток газотурбинных установок содержит, мас.%: углерод 0,001-0,12, хром 9,7-10,3, кобальт 3,3-4,3, вольфрам 5,8-6,5, молибден 0,15-0,3, алюминий 3,5-3,9, тантал 3,8-4,2, рений 4,5-4,9, бор 0,0003-0,01, ниобий 0,10-0,20, церий 0,002-0,012, иттрий 0,002-0,012, титан 3,0-3,4, гафний 0,10-0,20, магний 0,005-0,2, марганец 0,002-0,12, кремний 0,005-0,2, никель - остальное. Сплав характеризуется высокими показателями длительной прочности и сопротивления окислению, структурной стабильностью на ресурс. 2 табл.
Наверх