сплав на основе интерметаллида ni3al и изделие, выполненное из него
Классы МПК: | C22C19/05 с хромом |
Автор(ы): | Каблов Евгений Николаевич (RU), Петрушин Николай Васильевич (RU), Оспенникова Ольга Геннадиевна (RU), Висик Елена Михайловна (RU), Бондаренко Юрий Александрович (RU), Хвацкий Константин Константинович (RU) |
Патентообладатель(и): | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2012-03-27 публикация патента:
10.06.2013 |
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. 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.
Формула изобретения
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.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству сплавов на основе интерметаллида Ni3 Al 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 Ni3 Аl 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 Ni 3Al ( '-фаза) и на основе никеля (
-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 '-фазы на основе Ni3Al, содержание которой в структуре сплава составляет ~90% (по объему). Тантал в основном растворяется в
'-фазе сплава с коэффициентом распределения между
'-фазой и равновесным с ней
-раствором, равным ~3. Поэтому действие тантала в заявленном соотношении вызывает значительно большее увеличение периода кристаллической решетки интерметаллидной
'-фазы по сравнению с влиянием других компонентов сплава на этот важный фактор прочности и жаропрочности.
Введение в состав сплава на основе интерметаллида Ni3 Al рения, который растворяется практически полностью в -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 '-фазой и равновесным с ней
-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 '-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
'-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 '-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 | | | | | | Время до разрушения при испытании на длительную прочность, ч | |
МПа | 1000°С, | 1200°С, | |||||||
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; |
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.