Жаропрочный высокоэнтропийный сплав

Изобретение относится к жаропрочным высокоэнтропийным сплавам и может быть использовано для производства элементов и деталей конструкций, работающих в условиях высоких температур в авиационных и ракетных двигателях. Сплав AlNbTiVZrх, где х принимает значения от 0,1 до 0,25, имеет следующее соотношение компонентов, ат.%: 24-24,6 титана, 22,4-23,6 ниобия, 21,9-22,8 ванадия, 3,3-6,7 циркония, остальное - алюминий. Изобретение направлено на получение сплава с удельным пределом текучести 166-174 кПа⋅м3/кг при Т = 800°С, низкой плотностью меньше 6 г/см3 и пластичностью при комнатной температуре не менее 3%. 4 ил.

 

Изобретение относится к области металлургии сплавов, а именно высокоэнтропийных сплавов, которые могут быть использованы для производства элементов и деталей конструкций, работающих в условиях высоких температур в авиационных и ракетных двигателях.

Основные проблемы применения современных жаропрочных материалов связаны с необходимостью повышения рабочих температур деталей авиационных и ракетных двигателей выше 600-700°С при одновременном снижении их веса. В настоящее время в авиационном и ракетном двигателестроении наиболее широко применяются интерметаллидные сплавы на основе алюминида титана и никеля. Повышение жаропрочности таких сплавов возможно путем их легирования тугоплавкими элементами. Однако такое легирование приводит к повышению плотности сплавов и снижению их пластичности.

Перспективной альтернативой интерметаллидным сплавам являются активно исследуемые в последнее десятилетие так называемые высокоэнтропийные сплавы. Данные сплавы состоят из четырех, пяти и более химических элементов, находящихся в равных или практически равных концентрациях. При этом существующие экспериментальные данные показывают, что высокоэнтропийные сплавы могут обладать высокими эксплуатационными характеристиками, необходимыми для авиационной и ракетной отраслей промышленности.

Известен высокоэнтропийный сплав TiVNbZr0,5Al0,25Ta0,1 (патент RU № 2526657 C1, опубл. 27.08.2014). Данный сплав обладает низкой плотностью примерно 6,5 г/см3 и достаточной пластичностью порядка 12% при комнатной температуре.

Недостатками данного сплава являются низкий удельный предел текучести при повышенных температурах не более 100⋅кПа⋅м3/кг при Т = 700°С, а также высокая стоимость одного из компонентов - тантала.

Известен другой высокоэнтропийный сплав - CrNbTiVZr (Senkov O.N., Senkova S.V., Miracle D.B., Woodward C. Mechanical properties of low-density, refractory multi-principal element alloys of the CrNbTiVZr system // Materials Science and Engineering A. - 2013. – V.565. – Pp. 51-62). Данный сплав обладает высокой прочностью при повышенных температурах.

Недостатком данного сплава является ограниченная низкотемпературная пластичность около 3% и высокая плотность 6,57 г/см3.

Известен сплав AlNbTiV (Stepanov N.D., Yurchenko N.Yu., Skibin D.V., Tikhonovsky M.A., Salishchev G.A. Structure and mechanical properties of the AlCrxNbTiV (x= 0, 0.5, 1, 1.5) high entropy alloys//Journal of Alloys and Compounds. – 2015. – V.652. – Pp. 266-280). Данный сплав содержит 27,6 ат.% алюминия, 24,1 ат.% ниобия, 24,8 ат.% титана, 23,5 ат.% ванадия. Сплав обладает низкой плотностью около 5,6 г/см3 и достаточной низкотемпературной пластичностью 5,2%.

Основным недостатком данного сплава является недостаточно высокий удельный предел текучести при высокой температуре: 100 кПа⋅м3/кг при Т=800°С.

Наиболее близким аналогом, выбранным за прототип, является высокоэнтропийный сплав AlNbTiVZr0.5 (Stepanov N.D., Yurchenko N.Yu., Sokolovsky V.S., Tikhonovsy M.A., Salishchev G.A. An AlNbTiVZr0.5 high-entropy alloy combining high specific strength and good ductility // Materials letters - 2015. – V.161. – Pp. 136-139). Данный сплав содержит 23,4 ат.% алюминия, 20,9 ат.% ниобия, 22,8 ат.% титана, 21,7 ат.% ванадия и 11,2 ат.% циркония. Сплав обладает низкой плотностью порядка 5,64 г/см3 и высокой низкотемпературной пластичностью до 50% и более высоким удельным пределом текучести при высокой температуре около 120 кПа⋅м3/кг при Т = 800°С.

Основными недостатками данного сплава является избыточное содержания циркония в количестве 11,2 ат.%, что повышает его удельный вес и приводит к повышению стоимости сплава, а также низкая величина удельного предела текучести - не более 120 кПа⋅м3/кг при Т = 800°С.

Технической задачей изобретения является создание жаропрочного сплава с высокими удельными прочностными характеристиками при высокой температуре, обладающего низкой плотностью и достаточной пластичностью при комнатной температуре.

Технический результат - высокие удельные прочностные характеристики предложенного сплава более 150 кПа⋅м3/кг при Т = 800°С, с низкой плотностью меньше 6 г/см3 и достаточной пластичностью при комнатной температуре не менее 3%.

Технический результат достигается путем предложенного жаропрочного сплава AlNbTiVZrх, где х принимает значения от 0,1 до 0,25, при следующем содержании компонентов (ат.%):

титан 24-24,6
ниобий 22,4-23,6
ванадий 21,9-22,8
цирконий 3,3-6,7
алюминий остальное

Использование циркония в качестве легирующего элемента сплава AlNbTiV, имеющего однофазную зеренную структуру на основе объемно-центрированной кубической решетки, обусловлено тем, что цирконий обладает большим радиусом атома r = 159 пм, по сравнению с компонентами исходного сплава AlNbTiV, а также сильным химическим сродством с алюминием: энтальпия смешения ΔHсмеш=−43,7 кДж/моль. Большая разница между атомными радиусами элементов приводит к сильным внутренним искажениям, т.е. к твердорастворному упрочнению, а химическое сродство с алюминием – к образованию дисперсных частиц интерметаллидных фаз, способствующих дополнительному увеличению жаропрочности без катастрофического уменьшения пластичности. Неожиданно установлено, что введение циркония в количестве 3,3-6,7 ат.% положительно влияет на повышение прочностных характеристик сплава AlNbTiVZrх, где х принимает значения от 0,1 до 0,25, при высоких температурах в диапазоне 166-174 кПа⋅м3/кг при Т = 800°С, при сохранении низкой плотности меньше 6 г/см3 и достаточной пластичности при комнатной температуре не менее 3%. При этом снижается удельный вес сплава и, соответственно, его стоимость.

Изобретение характеризуется изображениями, представленными на фигурах:

фиг. 1. Микроструктура сплава AlNbTiVZr0,1, полученная с использованием растрового электронного микроскопа Quanta 600 FEG;

фиг. 2. Микроструктура сплава AlNbTiVZr0,25, полученная с использованием растрового электронного микроскопа Quanta 600 FEG;

фиг. 3. Таблица 1. Химический состав и плотность сплавов по изобретению;

фиг. 4. Таблица 2. Характеристики сплавов по изобретению.

В качестве примеров изобретения можно рассмотреть сплавы AlNbTiVZr0,1 и AlNbTiVZr0,25.

Сплавы по изобретению AlNbTiVZr0,1 и AlNbTiVZr0,25 были изготовлены методом вакуумно-дугового переплава.

Сплавление высокочистых (≥99,9 ат.%) шихтовых материалов, взятых в концентрациях Al (25,7 ат.%), Nb (23,6 ат.%), Ti (24,6 ат.%), V (22,8 ат.%), Zr (3,3 ат.%), для сплава AlNbTiVZr0,1,и Al (25,0 ат.%), Nb (22,4 ат.%), Ti (24,0 ат.%), V (21,9 ат.%), Zr (6,7 ат.%), для сплава AlNbTiVZr0,25, осуществляли в среде аргона в водоохлаждаемой медной изложнице. Время поддержания расплава в жидком состоянии - не более 20 секунд. Полученные слитки переплавляли 5 раз для получения однородного распределения элементов по объему.

Для гомогенизации структуры после последнего переплава слитки подвергали отжигу при температуре 1200°С в течение 24 часов в муфельной печи. Для предотвращения окисления сплава в процессе отжига слитки предварительно запаивали в кварцевую трубку с давлением ~1,3 Па.

Полученные слитки весом 0,1 кг имели чистую, блестящую поверхность. Проведенный химический анализ слитков показал их гомогенность по основным элементам и соответствие химического состава сплавов заданному.

Из слитков электроэрозионным методом были вырезаны образцы. При производстве образцов сплавы демонстрировали высокую обрабатываемость. При этом при резании в материале отсутствовали макродефекты структуры (раковины, трещины, поры).

Полученные образцы сплавов были использованы для проведения испытаний по определению механических свойств на одноосное сжатие и проведения микроструктурных исследований.

Проведенные структурные исследования показали, что сплавы по изобретению AlNbTiVZr0,1 и AlNbTiVZr0,25 обладают зеренной структурой на основе ОЦК решетки с дисперсными частицами фазы, обогащенной алюминием и цирконием (фиг. 1 и фиг. 2).

Сравнение полученных сплавов с известным сплавом AlNbTiV и прототипом AlNbTiVZr0,5 (таблица 1 на фиг. 3 и таблица 2 на фиг. 4) показало, что они обладают низкой плотностью расплава=5,52-5,56 г/см3, сравнимой и более высокой пластичностью при сжатии при комнатной температуре 3,7-9,3%, а также высоким удельным пределом текучести: УПТх=σ0,2/ρ сплава, где σ0,2 – предел текучести при сжатии в температурном интервале от 22 до 800°С, х – температура:

УПТ22 = 245-254⋅кПа⋅м3/кг,

УПТ600 = 211-217⋅кПа⋅м3/кг,

УПТ800 = 166-174⋅кПа⋅м3/кг.

Таким образом, заявленный технический результат - высокий удельный предел текучести предложенного сплава 166-174 кПа⋅м3/кг при Т = 800°С, с низкой плотностью меньше 6 г/см3 и достаточной пластичностью при комнатной температуре не менее 3%, достигнут.


Жаропрочный высокоэнтропийный сплав AlNbTiVZrх, характеризующийся тем, что имеет следующее соотношение компонентов, ат.%: титан 24-24,6, ниобий 22,4-23,6, ванадий 21,9-22,8, цирконий 3,3-6,7, остальное – алюминий, при этом х принимает значения от 0,1 до 0,25.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу уплотнения анодных красок посредством пескоструйной обработки. Направляют две струи абразивного материала в сторону детали, покрытой упомянутой краской.
Изобретение относится к технологии изготовления изделий для теплообмена и проведения гетерогенного катализа, а более конкретно к cпособу припекания монослоя из медных шариков к металлической контактной поверхности тепломассообменника, и может быть использовано в производстве аппаратов для каталитической химии, теплообменников, а также в экспериментальной криогенике и производстве эффективных криоинструментов для хирургии.

Изобретение относится к области нанесения покрытий, в частности к многослойным жаростойким покрытиям на изделиях из углерод-углеродных композиционных материалов, и может быть использовано для деталей, работающих в условиях износа и воздействия коррозионно-активных сред, например, для сопловых лопаток газотурбинных двигателей.

Изобретение относится к химико-термической обработке, а именно к процессу термодиффузионного цинкования стальных изделий в порошковых смесях. Порошковая смесь содержит 45-50 мас.% цинкового порошка, 5-7 мас.% активатора и остальное - инертный наполнитель.
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при изготовлении деталей с повышенной жаростойкостью. В жаростойком металлокерамическом покрытии, состоящем из чередующихся слоев тугоплавких окислов металлов, разделенных компенсационными слоями пластичного металла, слои тугоплавких окислов дополнительно содержат не более 40% пластичного металла, а компенсационные слои дополнительно содержат не более 20% тугоплавких окислов.

Изобретение относится к многослойной тонкой пленке для режущего инструмента, в которой отдельные тонкие пленки, каждая из которых состоит из четырех тонких слоев, уложены в стопу более одного раза.

Изобретение относится к присадочным материалам для сварки плавлением, которые могут быть использованы для ремонта деталей газотурбинных двигателей, изготовленных из жаропрочных сплавов на основе никеля.

Изобретение относится к области теплотехники, а именно к теплозащитным покрытиям лопаток энергетических и транспортных турбин, и может быть использовано в других областях техники для защиты теплонагруженных конструкций.

Изобретение относится к области газотермического напыления покрытий, в частности к способам напыления жаростойких и теплозащитных покрытий. Наносят основной металлический жаростойкий подслой.

Настоящее изобретение относится к фрикционным деталям, работающим в среде со смазкой, содержащей модификатор трения, при этом по меньшей мере на одну из деталей нанесено покрытие, при этом модификатором трения является MoDTC, покрытие является отличным от DLC и для по меньшей мере одной детали является нитридом хрома, при этом нитрид хрома присутствует в кристаллизации со структурой типа NaCl с микротвердостью 1800+/-200 HV.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к защитным покрытиям для компонентов газовой турбины. Защитное покрытие компонента газовой турбины содержит, вес.%: Со 15-39, Cr 10-25, Al 5-15, Y 0,05-1, Fe 0,5-10, Mo 0,05-2, никель и примеси - остальное. Защитное покрытие характеризуется высокой стойкостью к окислению и коррозии. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к способу нанесения многослойного ионно-плазменного покрытия на поверхность гравюры штампа из жаропрочной стали и может быть использовано при изготовлении лопаток газотурбинных двигателей горячей штамповкой. Способ включает помещение штампа в вакуумную камеру, создание требуемого вакуума, ионную очистку поверхности гравюры штампа и последующее нанесение на нее заданного количества слоев соединений титана с металлами и азотом. Сначала наносят подслой из титана или из сплава на основе титана толщиной от 0,4 до 0,8 мкм, а затем разнородные слои соединений титана с металлами и азотом толщиной от 1,2 до 2,0 мкм каждый. При нанесении разнородных слоев чередуют их формирование при давлении в вакуумной камере установки от 2⋅10-2 до 5⋅10-2 Па и при давлении в вакуумной камере установки от 1⋅10-1 до 3⋅10-1 Па. Для формирования соединений титана с металлами используют соединения титана со следующими металлами: Al, Мо, Zr, V, Si, С или их сочетание. 4 з.п. ф-лы, 1 пр.
Изобретение относится к способу нанесения многослойного ионно-плазменного покрытия на поверхность гравюры штампа из жаропрочного никелевого сплава и может быть использовано для гравюр штампов, применяемых для горячей объемной изотермической штамповки металлических деталей. Способ включает помещение штампа в вакуумную камеру установки, создание требуемого вакуума, ионную очистку поверхности гравюры штампа с последующим нанесением на нее заданного количества слоев соединений титана с металлами и азотом. После ионной очистки наносят подслой из титана или из сплава на основе титана толщиной от 0,3 до 0, 7 мкм. Затем наносят разнородные слои соединений титана с металлами и азотом толщиной от 1,0 мкм до 1,8 мкм каждый. Чередуют формирование слоя соединений титана с металлами и азотом при давлении в вакуумной камере установки от 2⋅10-2 Па до 5⋅10-2 Па с формированием слоя соединений титана с металлами и азотом при давлении в вакуумной камере установки от 1⋅10-1 Па до 3⋅10-1 Па. Для формирования соединений титана с металлами используют соединения титана со следующими металлами: Al, Mo, Zr, V, Si, С или их сочетание. 4 з.п. ф-лы, 1 пр.

Изобретение относится к скользящему элементу, в частности к поршневому кольцу, по меньшей мере с одной поверхностью скольжения с покрытием. Покрытие по направлению изнутри наружу имеет металлсодержащий адгезионный слой и DLC-слой. DLC-слой представляет собой безводородный слой из аморфного алмазоподобного углерода, который имеет основной DLC-слой, который является протяженным от адгезионного слоя до последующего покровного DLC-слоя, и имеет содержание углерода более чем около 98,5 ат. %, содержание кислорода, и/или водорода, и/или азота в каждом случае составляет менее чем около 0,5 ат. %, и соотношение углерода sp2/sp3 - между около 1 и около 3. Безводородный слой из аморфного алмазоподобного углерода имеет покровный DLC-слой, который является протяженным от основного DLC-слоя до поверхности скользящего элемента и по сравнению с основным слоем имеет меньшее содержание углерода, и/или более высокое содержание кислорода, и/или более высокое содержание водорода, а также содержит металлы и/или оксиды металлов и имеет соотношение углерода sp2/sp3 - между около 1 и около 3. Технический результат состоит в повышении механических и трибологических свойств элементов, в частности поршневых колец для двигателей внутреннего сгорания. 17 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 табл.

Изобретение может быть использовано при нанесении оксидного покрытия, в частности Al-Cr-O, на подложку методом физического осаждения из паровой фазы (PVD). Осуществляют нанесение реакционного PVD-покрытия на поверхность подложки в камере с использованием технологического газа, содержащего химически активный газ, в частности кислород, реагирующий с ионами металлов, полученными из по меньшей мере одной мишени, для осаждения по меньшей мере одного слоя, состоящего из Al, Cr, Si и О. По меньшей мере одна мишень имеет элементный состав, представленный формулой Al1-x-yCrxSiy, где 0,05≤y≤0,10 и 0,20≤x≤0,25. Добавка Si предотвращает образование оксидных островков на мишенях в процессе реакционного нанесения покрытия. 4 н. и 10 з.п. ф-лы, 5 ил.
Наверх