сплав на основе интерметаллида ni3al и изделие, выполненное из него
Классы МПК: | C22C19/05 с хромом |
Автор(ы): | Каблов Евгений Николаевич (RU), Аргинбаева Эльвира Гайсаевна (RU), Базылева Ольга Анатольевна (RU), Ечин Александр Борисович (RU) |
Патентообладатель(и): | Федеральное государственное унитарное предприятие"Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2012-12-27 публикация патента:
10.07.2014 |
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 Ni3 Al характеризуется повышенной жаропрочностью при температурах 1000 и 1050°C на базах испытания 100, 500 и 1000 часов. Использование предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni 3Al повысит надежность изделий и увеличит ресурс их работы. 2 н.п. ф-лы, 2 табл., 3 пр.
Формула изобретения
1. Сплав на основе интерметаллида Ni3Al, содержащий алюминий, хром, вольфрам, молибден, титан, кобальт, углерод, лантан, никель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит гафний при следующем соотношении компонентов, 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 |
С | 0,02-0,08 |
La | 0,0015-0,015 |
Hf | 0,3-0,8 |
Ni | остальное |
2. Изделие из сплава на основе интерметаллида Ni3Al, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п.1.
Описание изобретения к патенту
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 (направленной кристаллизованной) структурой, таким как, например, сопловые лопатки, блоки сопловых лопаток и другие детали газотурбинных двигателей авиационной и автомобильной промышленности.
Известен сплав на основе интерметаллида Ni3Al следующего химического состава, мас.%:
Al | 2,4-6,5 |
V | 8,1-15,5 |
Nb | 0,8-8,6 |
B | 0,005-0,05 |
Ni | остальное |
(Патент США 8197618)
Недостатком этого сплава является хрупкость при комнатной температуре и неудовлетворительная пластичность в диапазоне температур 100-800°С.
Изделия из этого сплава используются для наземных ГТД при температурах эксплуатации до 1100°С.
Известен также сплав на основе интерметаллида Ni3Al следующего химического состава, мас.%:
Al | 8,0-10,8 |
Cr | 4,0-6,0 |
W | 1,5-5,5 |
Ti | 1,0-1,4 |
С | 0,15-0,20 |
La | 0,0015-0,0150 |
Zr | 0,03-0,05 |
Y | 0,01-0,02 |
В | 0,008-0,018 |
Ni | остальное |
(Патент РФ № 2405851)
Недостатком известного сплава является неудовлетворительная жаропрочность при температурах 1000 и 1050°C на базах испытания 100 и 500 часов.
Недостатком изделий, выполненных из известного сплава, является низкий выход годного при отливке изделий с дендритной столбчатой (направленной кристаллизованной) структурой.
Известен сплав на основе интерметаллида Ni3Al следующего химического состава, мас.%:
Al | 8,0-9,1 |
Cr | 5,5-6,5 |
W | 2,5-3,5 |
Mo | 4,5-5,5 |
Ti | 0,3-0,8 |
С | 0,001-0,01 |
La | 0,1-0,3 |
Zr | 0,05-0,5 |
Hf | 0,1-0,5 |
Та | 0,1-1,0 |
Ni и технологические примеси - остальное
и изделие, выполненное из него
(Патент РФ № 2351673)
Сплав обладает недостаточной пластичностью при комнатной температуре.
Изделия, выполненные из этого сплава, имеют низкий выход годного при отливке с дендритной столбчатой (направленной кристаллизованной) структурой.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является сплав на основе интерметаллида Ni3Al, имеющий следующий химический состав, мас.%:
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 |
Co | 3,5-4,5 |
С | 0,01-0,08 |
La | 0,0015-0,015 |
Sc | 0,015-0,03 |
Ni | остальное |
и изделие, выполненное из него
(Патент РФ № 2349663)
Недостатком сплава-прототипа является недостаточно высокая жаропрочность при температурах 1000 и 1050°С на базах испытания 100, 500 и 1000 часов и недостаточный выход годного.
Изделия из этого сплава имеют ограниченный ресурс эксплуатации.
Технической задачей изобретения является создание сплава на основе интерметаллида Ni3 Al, обладающего повышенной жаропрочностью при температурах 1000 и 1050°С на базах испытания 100, 500 и 1000 часов и повышение выхода годного при отливке изделий с дендритной столбчатой (направленной кристаллизованной) структурой.
Для достижения поставленной технической задачи предложен сплав на основе интерметаллида Ni3Al, содержащий алюминий, хром, вольфрам, молибден, титан, кобальт, углерод, лантан и никель, который дополнительно содержит гафний при следующем соотношении компонентов, 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 |
С | 0,02-0,08 |
La | 0,0015-0,015 |
Hf | 0,3-0,8 |
Ni | остальное |
и изделие, выполненное из него
Сплав может содержать в виде примесей следующие элементы, мас.%: 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, увеличение содержания в сплаве вольфрама приводит к упрочнению
и
-твердого раствора, кобальта - к упрочнению
-твердого раствора и повышению пластичности при комнатной температуре, технологичности, а, следовательно, и выхода годного. При введении в состав гафния, действующего как карбидообразующий элемент, наблюдается образование мелкодисперсной карбидной фазы. При введении в состав гафния ниже 0,3 масс.% он будет выполнять роль только раскислителителя, что недопустимо при заявленном содержании других легирующих элементов, в частности, углерода. При повышении содержания гафния более 0,8 масс.% возможно образование легкоплавкого соединения Ni5Hf (Тпл.=1190°С).
При заявленном содержании и соотношениях компонентов в предлагаемом сплаве на основе интерметаллида Ni3 Al достигается наибольший эффект повышения жаропрочности сплава при температурах 1000 и 1050°С на базах испытания 100, 500 и 1000 часов и повышения выхода годного при отливке изделий с дендритной столбчатой 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 изделия в виде модельных сопловых лопаток газотурбинных двигателей с дендритной столбчатой структурой получали методом направленной кристаллизации в вакууме.
Выход годного по дендритной столбчатой структуре заготовок образцов и отливок изделий контролировали путем выявления макроструктуры травлением в смеси соляной кислоты и перекиси водорода. Годными по макроструктуре отбирались отливки, имеющие 2-3 зерна с границами зерен, ориентированными преимущественно вдоль оси отливки.
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 являлись 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 сплава-прототипа: жаропрочность при температуре 1000°C на базе испытания 100 часов ( 1000
100) - на 11,0-18,5%; жаропрочность при температуре 1000°C на базе испытания 500 часов (
1000
500) - на 17,5-29,5%; жаропрочность при температуре 1000°С на базе испытания 1000 часов (
1000
1000) - на 50,0-58,0%; жаропрочность при температуре 1050°C на базе испытания 100 часов (
1050
500) - на 10,5-24,5%; жаропрочность при температуре 1050°C на базе испытания 500 часов (
1050
500) - на 22,5-30,5%; жаропрочность при температуре 1050°C на базе испытания 1000 часов (
1050
1000) - на 40-50%; выход годного отливок изделий по дендритной столбчатой структуре на 12,0-17,0%.
Использование предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni 3Al повысит надежность изделий и увеличит ресурс их работы.
Таблица 1 | |||||||||||
Составы предлагаемого сплава и сплава-прототипа | |||||||||||
Состав | Содержание элементов, масс.% | ||||||||||
Al | Cr | W | Mo | Ti | Co | С | La | Sc | Hf | Ni | |
1 | 8,7 | 5,0 | 3,4 | 3,4 | 0,6 | 7,0 | 0,05 | 0,010 | - | 0,5 | ост. |
2 | 8,4 | 5,5 | 3,8 | 3,0 | 0,8 | 6,5 | 0,02 | 0,0015 | - | 0,3 | ост. |
3 | 9,0 | 4,5 | 3,0 | 3,8 | 0,3 | 7,5 | 0,08 | 0,015 | - | 0,8 | ост. |
Прототип | 8,5 | 5,0 | 2,1 | 5,0 | 0,9 | 4,0 | 0,05 | 0,010 | 0,02 | - | ост. |
Таблица 2 | |||||||
Свойства предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni 3Al и сплава-прототипа | |||||||
Свойства | Выход годного при получении дендритной столбчатой структуры, % | ||||||
1 | 152,0 | 103,0 | 88,5 | 110,0 | 78,5 | 68,5 | 90,0 |
2 | 157,0 | 108,0 | 93,0 | 103,0 | 83,5 | 73,5 | 87,5 |
3 | 147,0 | 98,0 | 88,5 | 98,0 | 78,5 | 68,5 | 85,0 |
Прототип | 132,5 | 83,5 | 59,0 | 88,5 | 64,0 | 49,0 | 73,0 |