сплав на основе интерметаллида ni₃al и изделие, выполненное из него

Формула изобретения

1. Сплав на основе интерметаллида Ni₃Аl, содержащий алюминий, хром, вольфрам, молибден, титан, углерод, кобальт, лантан и никель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит цирконий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Аl 8,0-9,0

Сr 4,5-5,5

W 1,8-2,5

Мо 4,5-5,5

Ti 0,6-1,2

С 0,12-0,2

Со 3,5-4,5

La 0,0015-0,015

Zr 0,05-0,5

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 интерметаллидным сплавам на основе Ni₃Аl и изделиям, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям с поликристаллической, структурой, таким как, например, сопловые лопатки, проставки соплового аппарата, крупногабаритные створки и другие детали газотурбинных двигателей авиационной, автомобильной промышленности и судостроения.

Известен сплав на основе интерметаллида Ni₃Аl следующего химического состава, (маc.%):

Аl 10-12

Fe 14,5-17,5

Мо 2,7-4,0

Hf 0,9-1,7

С 0,01-0,06

Се 0,005

Ni остальное.

Патент Франция №2603902.

Недостатком этого сплава является не превышающая 900°С рабочая температура и склонность к трещинообразованию при увеличении количества теплосмен.

Изделия из этого сплава используются, например, для проставок соплового аппарата с ограниченным ресурсом работы при температурах эксплуатации до 900°С.

Известен сплав на основе интерметаллида Ni₃Аl, следующего химического состава, (мас.%):

Al 7,8-9,0

Cr 5,0-6,5

W 2,7-4,0

Мо 3,0-4,0

Ti 0,8-1,2

С 0,001-0,005

Sn 0,03-0,05

Zr 0,05-0,5

Ni остальное.

Патент РФ №2198233.

Недостатком этого сплава является низкая прочность и недостаточная жаропрочность в интервале температур 850-1000°С.

Изделия из этого сплава, например, рабочие лопатки ГТД имеют короткий ресурс работы, а также ограничена номенклатура отливаемых деталей.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является сплав на основе интерметаллида Ni₃Аl, имеющий химический состав, мас.%:

Al 7,8-9,0

Cr 4,5-5,5

W 1,8-2,5

Мо 4,5-5,5

Ti 0,6-1,2

С 0,007-0,02

Со 3,5-4,5

La 0,0015-0,015

Ni остальное

Патент РФ №2114206.

Недостатком этого сплава является недостаточно высокая кратковременная прочность, жаропрочность при температурах 1150-1200°С и неудовлетворительная жаростойкость при температуре 1150°С.

Изделия из этого сплава, например, сопловые лопатки, блоки сопловых лопаток ГТД имеют низкий выход годного и недостаточную долговечность.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка сплава и изделия, выполненного из него, обладающих повышенными кратковременной прочностью и жаропрочностью при температурах 1150-1200°С, высокой жаростойкостью при температуре 1150°С.

Для достижения поставленной технической задачи предлагается сплав на основе интерметаллида Ni₃Аl, содержащий алюминий, хром, вольфрам, молибден, титан, углерод, кобальт, лантан, никель, который дополнительно содержит цирконий при следующем соотношении компонентов, маc.%:

Аl 8,0-9,0

Cr 4,5-5,5

W 1,8-2,5

Мо 4,5-5,5

Ti 0,6-1,2

С 0,12-0,2

Со 3,5-4,5

La 0,0015-0,015

Zr 0,05-0,5

Ni остальное

и изделие, выполненное из него.

Авторами было установлено, что при заявленных соотношениях компонентов в предлагаемом сплаве на основе интерметаллида Ni₃ Аl и дополнительном введении циркония наблюдается уплотнение оксидной пленки и улучшается ее адгезия с основным материалом, что обеспечивает удовлетворительную жаростойкость сплава при 1150°С. Образование сложных дисперсных карбидов типа МеС благоприятной округлой формы по границам зерен при увеличении содержания углерода и упрочнение в объеме зерен -твердого раствора способствует снижению скорости диффузии при высоких температурах, как в объеме зерна, так и по границам, что в свою очередь обеспечивает повышенные прочность и жаропрочность сплава при температурах 1150-1200°С.

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 60 мм отбирали стружку на химический анализ. Результаты химического анализа составов сплава приведены в таблице 1.

Содержание легирующих элементов, газов и примесей, таких как железо, кремний, сера, фосфор, свинец, висмут, олово и сурьма, 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 6 кг для последующего переплава.

Образцы 16 мм и длиной 75 мм получали методом равноосной кристаллизации, при этом температура заливки металла составляет 1580-1620°С, температура формы - 950-1000°С.

Свойства предлагаемого сплава с различным соотношением компонентов и сплава- прототипа, полученных по одной и той же технологической схеме, приведены в таблице 2.

Из таблицы 2 видно, что свойства предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Аl выше, чем свойства известного. Привес при окислении на воздухе за 500 часов при 1150°С на 28,9-31,0% у сплава-прототипа превышает привес при этих же характеристиках у предлагаемого сплава.

Прочность при 1150°С ( ¹¹⁵⁰_B) на 27,8-41,7% у предлагаемого сплава выше, чем у сплава-прототипа; при 1200°С ( ¹²⁰⁰_B) - на 56,25-93,75%.

Таблица 1 Составы предлагаемого сплава и сплава-прототипа
состав	Содержание элементов, % масс.
	Аl	Cr	W	Мо	Ti	С	Со	Zr	La	Ni
I	8,5	4,5	1,8	5,0	0,9	0,12	3,5	0,1	0,0015	Осн.
II	9,0	5,0	2,15	4,5	1,2	0,2	4,0	0,05	0,01	Осн.
III	8,0	5,5	2,5	5,5	0,6	0,16	4,5	0,5	0,015	Осн.
прототип	8,4	5,0	2,15	5.0	0,9	0,015	4,0	-	0,01	Осн.
Таблица 2 Свойства предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni3Аl и сплава-прототипа
Свойства	Привес при окислении на воздухе за 500 часов при 1150°С, г/м 2	в1150 кгс/мм2	в1200, кгс/мм2	1001150 кгс/мм	5001150 кгс/мм	1001200 кгс/мм2
I	198	25,5	15,0	4,0	2,5	2,2
II	202	23,8	15,5	3,5	2,4	1,8
III	196	23,0	12,5	4,1	2,3	2,3
прототип	284	18,0	8,0	2,8	1,8	1,6

Жаропрочность по времени до разрушения при температуре 1150°С на базе 100 часов ( ¹¹⁵⁰₁₀₀) у предлагаемого сплава на 25,0-46,4% выше, чем у сплава-прототипа; на базе 500 часов при этой же температуре ( ¹¹⁵⁰₅₀₀) – на 27,8-38,9%; при температуре 1200°С на базе 100 часов ( ¹²⁰⁰₁₀₀) у предлагаемого сплава на 12,5-43,75% выше, чем у сплава-прототипа.

Использование предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Аl повышает надежность изделий и увеличивает их ресурс работы в 2 раза.