Композиционный материал на основе ниобия, упрочненный силицидами ниобия, и изделие, выполненное из него

Изобретение относится к области металлургии, в частности к эвтектическим композиционным материалам на основе ниобия, упрочненным силицидами ниобия, предназначенным для изготовления теплонагруженных изделий, и может быть использовано в авиационной и энергетической промышленности. Композиционный материал на основе ниобия, упрочненный силицидами ниобия, содержит, ат.%: кремний 15,0-17,0; титан 12,0-16,0; гафний 2,5-5,5; алюминий 2,0-4,0; хром 3,0-5,0; цирконий 4,0-6,0; молибден 8,0-12,0; иттрий 0,5-2,0; ниобий - остальное. Композиционный материал может содержать силицид ниобия Nb5Si3 и/или силицид ниобия Nb3Si. Материал характеризуется повышенными значениями кратковременной прочности. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 пр.

 

Изобретение относится к разработке высокотемпературных композиционных материалов, преимущественно эвтектических композиционных материалов на основе ниобия, упрочненных силицидами ниобия, предназначенных для изготовления теплонагруженных изделий, в частности лопаток горячего тракта газотурбинных двигателей (ГТД), длительно работающих при температурах 1300-1350°C, и может быть использовано в авиационной и энергетической промышленности.

Известны композиционные материалы системы Nb-Si-Ti и легированной системы Nb-Si-Ti-Hf-Cr-Al, матрицей которых служит ниобиевый твердый раствор, а упрочнителями - силициды ниобия. Эти композиционные материалы получают методами порошковой металлургии, включающими перемешивание исходных порошков в аттриторах, с последующим горячим изостатическим прессованием порошковой смеси при температурах 1450°C-1550°C и давлении 25-35 МПа не более 5 минут. Наряду с невысокой кратковременной прочностью при 1350°C, равной 20-30 МПа, данные композиционные материалы обладают существенным недостатком, заключающимся в невозможности изготавливать из них полые охлаждаемые лопатки первой ступени турбин высокого давления перспективных авиационных ГТД (патент РФ №2393060, опубл. 27.06.2010 г.).

С целью повышения кратковременной и длительной прочности (жаропрочности) при повышенных температурах, применяют более сложные системы легирования, а также используют литейные технологии, в частности методы направленной кристаллизации. Так, известен композиционный материал следующего химического состава, ат.%:

Кремний 9,0-25,0
Титан 5,0-25,0
Гафний до 20,0
Хром 1,0-25,0
Алюминий 1,0-20,0
Рений 1,0-30,0
Рутений до 30,0
По меньшей мере один металл,
выбранный из группы, содержащей
вольфрам, тантал и молибден до 30,0
Ниобий Остальное,

а также изделие, выполненное из него (патент США №7,704,335, опубл. 27.04.2010 г.).

Данный композиционный материал изготавливают в две стадии. Вначале методом вакуумно-дуговой выплавки получают слиток-прекурсор указанного состава, затем по выплавляемым моделям проводят направленную кристаллизацию фасонных деталей, близких по размерам и форме к лопаткам ГТД. Основной недостаток такого композиционного материала и изделия, выполненного из него, - высокая стоимость, т.к. в состав материала входит редкий элемент рений, а также элемент платиновой группы рутений. Другой недостаток заключается в большой плотности композиционного материала и изделия, выполненного из него, поскольку материал содержит тяжелые легирующие элементы, такие как вольфрам, тантал, рений.

Наиболее близким аналогом (прототипом) заявленного изобретения является композиционный материал MASC (Metal And Silicide Composite), разработанный американской фирмой General Electric, следующего химического состава, ат.%:

Хром 2,0
Гафний 8,2
Алюминий 1,9
Титан 24,7
Кремний 16,0
Ниобий Остальное

(В.Р. Bewlay, M.R. Jackson, H.A. Lipsitt, The Balance of Mechanical and Environmental Properties of a Multielement Niobium-Niobium Silicide-Based In Situ Composites.//Metallurgical and Materials Transactions, V. 27A, December, 1996, pp. 3801-3803).

Проведенные исследования показали, что композиционный материал по прототипу обладает недостаточно высокой кратковременной и длительной прочностью (жаропрочностью) при повышенных температурах. Достигнутые значения кратковременной прочности σ на изгиб составили 450 МПа при 1350°C, а длительная прочность (жаропрочность) σ100 при температуре 1300°C равнялась 11,2 МПа, при плотности ρ, равной 7,0 г/см3.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание композиционного материала на основе ниобия и изделия, выполненного из него, улучшенного качества, способных работать при высоких температурах. Техническим результатом изобретения является повышение кратковременной прочности σ композиционного материала на основе ниобия, упрочненного силицидами ниобия, и изделия, выполненного из него, при 1350°C до значений не менее 500 МПа, а также длительной прочности σ100 при 1300°C до значений не менее 50 МПа, при плотности ρ не более 7,5 г/см3.

Для достижения заявленного технического результата предложен композиционный материал на основе ниобия, упрочненный силицидами ниобия, содержащий кремний, титан, гафний, алюминий, хром, который дополнительно содержит цирконий, молибден и иттрий, при следующем соотношении компонентов, ат.%:

Кремний 15,0-17,0
Титан 12,0-16,0
Гафний 2,5-5,5
Алюминий 2,0-4,0
Хром 3,0-5,0
Цирконий 4,0-6,0
Молибден 8,0-12,0
Иттрий 0,5-2,0
Ниобий остальное,

а также изделие, которое выполнено из предложенного композиционного материала. Предложенный композиционный материал может содержать силицид ниобия Nb5Si3 и/или силицид ниобия Nb3Si. Содержание силицидов ниобия в композиционном материале может составлять не более 50 объемных %.

Легирование твердого раствора ниобия цирконием и молибденом повышает его прочность. Это происходит вследствие того, что данные элементы хорошо растворяются в ниобии, при этом цирконий оказывает модифицирующее действие на направленную структуру композиционного материала, а молибден повышает предел текучести композиционного материала, но понижает вязкость разрушения. Совместное легирование цирконием и молибденом оказывает рафинирующее действие на структуру материала после термической обработки. Введение циркония, молибдена и иттрия в содержании, ниже минимально заявленного, не обеспечивает необходимых прочностных характеристик композиционного материала. Превышение максимально заявленного содержания указанных элементов приводит к появлению структурных дефектов, повышающих хрупкость материала.

Эвтектическая концентрация кремния в бинарной диаграмме Nb-Si равна 16 атомных %, и поэтому концентрация кремния в композиционном материале должна отклоняться от этой величины не более чем на 1 атомный % в большую или меньшую сторону, при этом содержание интерметаллидной фазы силицидов ниобия в композиционном материале будет составлять около 50 объемных %.

Оптимальное соотношение компонентов композиционного материала на основе ниобия, упрочненного силицидами ниобия, позволяет повысить его высокотемпературные прочностные свойства с одновременным снижением скорости окисления. Этому в значительной степени способствует введение хрома, алюминия и иттрия в состав композиционного материала. Гафний оказывает дополнительное упрочняющее действие на твердый раствор ниобия. В свою очередь, титан улучшает пластичность металлической матрицы композиционного материала и тем самым также способствует повышению его высокотемпературных прочностных свойств.

Применение изделий из предложенного композиционного материала на основе ниобия малой плотности, не более 7,5 г/см3, в частности рабочих лопаток ГТД, обладающих заявленными значениями прочности, позволяет поднять температуру газа на входе в турбину до 2000-2200 К, уменьшив при этом вес роторной части турбины высокого давления на 12-15% и повысив тем самым удельную тягу двигателя.

Пример осуществления изобретения

Для получения прекурсоров предложенного композиционного материала и материала-прототипа применяли индукционную плавку во взвешенном состоянии в атмосфере аргона. Полученный расплав выливали в медную изложницу. Непосредственно композиционные материалы получали методом направленной кристаллизации в вакуумной установке.

В процессе направленной кристаллизации прекурсоров состава, близкого к эвтектическому, были выплавлены композиционные материалы четырех составов, матрицей которых служил твердый раствор ниобия, а упрочняющей фазой - ориентированные пластины силицидов ниобия Nb3Si, Nb5Si3 с объемным содержанием 45%.

В связи с отсутствием ГОСТа, регламентирующего высокотемпературные испытания на изгиб, данные испытания проводили следующим образом. Кратковременную прочность определяли методом испытания на трехточечный изгиб в вакууме при температуре 1350°C. Длительную прочность в течение 100 часов определяли также по результатам испытания на изгиб при 1300°C в режиме ползучести при двух различных нагрузках. Плотность образцов оценивали методом взвешивания.

Предложенный композиционный материал был выплавлен в трех составах, четвертый композиционный материал был выплавлен по прототипу. Содержание элементов в исследуемых композиционных материалах, их прочностные свойства и плотность приведены в таблице.

Из полученных композиционных материалов методом прецизионного литья по выплавляемым моделям в высокоградиентной установке для направленной кристаллизации изготовили лопатки турбин высокого давления ГТД. Оболочковые формы для отливки лопаток были получены методом покраски с использованием порошка из плавленого оксида иттрия Y2O3, инертного к ниобиевым расплавам при высоких температурах.

Как следует из таблицы, разработанный композиционный материал при температуре 1350°C имел кратковременную прочность, равную 508-584 МПа, и 100-часовой предел длительной прочности при температуре 1300°C, равный 56-61 МПа при плотности, равной 7,3-7,5 г/см3. Таким образом, предложенный композиционный материал на основе ниобия, упрочненный силицидами ниобия, и изделие, выполненное из него, по обоим показателям прочности значительно превосходят прототип, сохраняя значение плотности на уровне прототипа, и обеспечивают заявленный технический результат.

1. Композиционный материал на основе ниобия, упрочненный силицидами ниобия, содержащий кремний, титан, гафний, алюминий и хром, отличающийся тем, что он дополнительно содержит цирконий, молибден и иттрий, при следующем соотношении компонентов, ат.%:

Кремний 15,0-17,0
Титан 12,0-16,0
Гафний 2,5-5,5
Алюминий 2,0-4,0
Хром 3,0-5,0
Цирконий 4,0-6,0
Молибден 8,0-12,0
Иттрий 0,5-2,0
Ниобий Остальное

2. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что он содержит силицид ниобия Nb5Si3.

3. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что он содержит силицид ниобия Nb3Si.

4. Композиционный материал по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что содержание силицидов ниобия в материале составляет не более 50 об.%.

5. Изделие из композиционного материала, отличающееся тем, что оно выполнено из материала по п.1.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам сплавов, которые могут быть использованы в ювелирном деле. Ювелирный сплав содержит, мас.%: золото 58,3-58,5; цинк 0,4-0,5; медь 38,2-39,6; галлий 1,5-3,0.
Изобретение относится к разработке прецизионных сплавов для микрометаллургических процессов, в том числе для получения функциональных покрытий, пленок, микропроводов, порошковых материалов, конструкционно-функциональные элементы из которых эффективно работают в жестких условиях эксплуатации, таких как негативное воздействие механических нагрузок, износа, химических реагентов, положительных и отрицательных температур.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к поршневому кольцу для двигателя внутреннего сгорания с покрытием, нанесенным термическим напылением порошка.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к жаропрочных хромоникелевым сплавам с аустенитной структурой. Жаропрочный хромоникелевый сплав с аустенитной структурой, содержащий, мас.%: углерод 0,05-0,10, хром 24-27, никель 33-35, ниобий 0,6-1,3, церий 0,005-0,10, цирконий 0,005-0,10, лантан 0,005-0,10, кремний 0,81-1,50, марганец 0,60-1,20, ванадий 0,005-0,20, титан 0,005-0,15, алюминий 0,001-0,10, вольфрам менее 0,10, железо и примеси - остальное.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к термомеханической обработке монокристаллов ферромагнитного сплава нового состава Fe-Ni-Co-Al-Ti, и может быть использовано для создания исполнительных механизмов, датчиков, актюаторов, демпфирующих элементов.
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, в частности к сплавам для постоянных магнитов. Сплав для постоянных магнитов содержит, масс.%: кобальт 34,5-35,5, никель 14,0-14,5, медь 3,8-4,2, алюминий 7,0-7,5, титан 5,0-5,5, сера 0,15-0,25, олово 0,1-0,2, гафний 1,0-2,0, железо - остальное.

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 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, в частности к твердому припою на железохромовой основе с превосходной характеристикой смачивания на материале на основе нержавеющей стали, причем твердый припой образует паяное соединение с высокой прочностью и хорошей коррозионной стойкостью.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к слоистым материалам, и может быть использовано для изготовления деталей авиационно-космической техники, работающих при высоких температурах.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к жаропрочным дисперсно-упрочненным сплавам на основе ниобия и способам их получения, и может быть использовано для изготовления деталей авиационно-космической техники, работающих при температурах до 1600°С.
Изобретение относится к области металлургического производства распыляемых металлических мишеней для микроэлектроники, а также к изготовлению интегральных схем и тонкопленочных конденсаторов на основе тантала и его сплавов.
Изобретение относится к области цветной металлургии и может быть использовано при производстве сплавов титана. .
Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для изготовления изделий, работающих в условиях механических нагрузок при повышенных температурах. .

Изобретение относится к получению ниобиевой проволоки, пригодной для применения в качестве проволочного вывода для ниобиевых, ниобийоксидных или танталовых конденсаторов.
Изобретение относится к области металлургии и касается составов сплава на основе ниобия, которые могут быть использованы для изготовления изделий, работающих в условиях механических нагрузок при повышенных температурах.
Изобретение относится к области металлургии и касается составов сплавов на основе ниобия, которые могут быть использованы для изготовления изделий, работающих в условиях механических нагрузок при повышенных температурах.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам на основе ниобия, которые могут быть использованы для изготовления деталей двигателей, печей, тепловых агрегатов и других изделий, работающих при повышенных температурах в условиях механических нагрузок. Сплав на основе ниобия содержит, мас.%: молибден 8,5-12,5; цирконий 2,0-4,0; углерод 0,1-0,3; лантан 0,03-0,05; вольфрам 0,8-1,0; иридий 0,05-0,1; ниобий - остальное. Сплав характеризуется повышенной прочностью при высоких температурах. 1 табл.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к эвтектическим композиционным материалам на основе ниобия, упрочненным силицидами ниобия, предназначенным для изготовления теплонагруженных изделий, и может быть использовано в авиационной и энергетической промышленности. Композиционный материал на основе ниобия, упрочненный силицидами ниобия, содержит, ат.: кремний 15,0-17,0; титан 12,0-16,0; гафний 2,5-5,5; алюминий 2,0-4,0; хром 3,0-5,0; цирконий 4,0-6,0; молибден 8,0-12,0; иттрий 0,5-2,0; ниобий - остальное. Композиционный материал может содержать силицид ниобия Nb5Si3 иили силицид ниобия Nb3Si. Материал характеризуется повышенными значениями кратковременной прочности. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 пр.

Наверх