сплав на основе интерметаллида ni3al с монокристаллической структурой и изделие, выполненное из него
Классы МПК: | C22C19/05 с хромом |
Автор(ы): | Каблов Евгений Николаевич (RU), Базылева Ольга Анатольевна (RU), Бондаренко Юрий Александрович (RU), Горюнов Александр Валерьевич (RU) |
Патентообладатель(и): | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2012-12-27 публикация патента:
20.05.2014 |
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 Ni3 Al повышает надежность изделий и увеличивает ресурс их работы. 2 н.п. ф-лы, 2 табл., 3 пр.
Формула изобретения
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.
Описание изобретения к патенту
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 Ni 3Al 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 Ni 3Al 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 Ni 7Y2 (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 Ni 3Al выше, чем свойства известного сплава-прототипа: жаропрочность при температуре 1000°С на базе испытания 100 часов ( 1000
100) - на 10,5-13,0%; жаропрочность при температуре 1000°С на базе испытания 500 часов (
1000
500) - на 15-20,5%; жаропрочность при температуре 1100°С на базе испытания 100 часов (
1100
100) - на 10-12,0%; жаропрочность при температуре 1100°С на базе испытания 500 часов (
1100
500) 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 Ni 3Al с монокристаллической структурой и сплава-прототипа | |||||
Свойства | 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 |