сплав на основе интерметаллида ni3al и изделие, выполненное из него
Классы МПК: | C22C19/05 с хромом |
Автор(ы): | Бунтушкин Вячеслав Петрович (RU), Базылева Ольга Анатольевна (RU), Каблов Евгений Николаевич (RU), Фомин Алексей Алексеевич (RU) |
Патентообладатель(и): | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2006-05-05 публикация патента:
10.08.2007 |
Изобретение относится к литейным интерметаллидным сплавам на основе Ni3Al и изделиям, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям с поликристаллической структурой. Изделиями могут быть сопловые лопатки, проставки соплового аппарата, крупногабаритные створки и другие детали ГТД авиационной и автомобильной промышленности. Сплав на основе интерметаллида Ni3Al содержит, мас.%: Al 8,0-9,0; Cr 4,5-6,5; W 2,0-4,2; Мо 2,5-4,5; Ti 1,0-2,0; С 0,10-0,18; Hf 0,40-0,60; Ni - остальное. Сплав обладает повышенными кратковременной прочностью при 1200-1250°С, жаропрочностью при 1200°С и рабочими температурами. Использование предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni3Al повышает температуру газа перед турбиной, коэффициент полезного действия изделий и увеличивает их ресурс работы в 2 раза. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.
Формула изобретения
1. Сплав на основе интерметаллида Ni3 Al, содержащий алюминий, хром, вольфрам, молибден, титан, углерод, никель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит гафний при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Al | 8,0-9,0 |
Cr | 4,5-6,5 |
W | 2,0-4,2 |
Мо | 2,5-4,5 |
Ti | 1,0-2,0 |
С | 0,10-0,18 |
Hf | 0,4-0,6 |
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 поликристаллической структурой, таким как сопловые лопатки, проставки соплового аппарата, крупногабаритные створки и другие детали ГТД авиационной и автомобильной промышленности.
Известен сплав на основе интерметаллида Ni 3Al следующего химического состава, мас.%:
Al | 10-12 |
Fe | 14,5-17,5 |
Mo | 2,7-4,0 |
Hf | 0,9-1,7 |
С | 0,01-0,06 |
Се | 0,005 |
Ni | остальное |
(Патент Франции №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 Ni3Al следующего химического состава, мас.%:
Al | 10,5-12,5 |
Cr | 4-6 |
W | 1,5-2,5 |
Ti | 1,0-1,6 |
С | 0,1-0,2 |
Si | 0,9-1,2 |
В | 0,005-0,015 |
Y | 0,005-0,015 |
Ni | остальное |
(Патент РФ №2230812)
Недостатком этого сплава является низкая кратковременная прочность при комнатной температуре и недостаточная жаропрочность при температурах 1000-1200°С.
Изделия из этого сплава, например рабочие или сопловые лопатки ГТД, имеют короткий ресурс работы, а также ограниченную номенклатуру отливаемых деталей.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является сплав на основе интерметаллида Ni 3Al, имеющий 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 |
С | 0,12-0,2 |
Со | 3,5-4,5 |
Zr | 0,05-0,5 |
La | 0,0015-0,015 |
Ni | остальное |
(Патент РФ №2245387)
Сплав-прототип обладает недостаточно высокими кратковременной прочностью при 1200-1250°С, жаропрочностью при 1200°С и рабочими температурами.
Изделия из этого сплава, например сопловые лопатки, блоки сопловых лопаток ГТД, створки регулируемого сопла, имеют недостаточную долговечность и ограниченную номенклатуру отливаемых деталей.
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка сплава и изделия, выполненного из него, обладающих повышенными кратковременной прочностью при 1200-1250°С, жаропрочностью при 1200°С и рабочими температурами.
Для достижения поставленной технической задачи предлагается сплав на основе интерметаллида Ni 3Al, содержащий алюминий, хром, вольфрам, молибден, титан, углерод, никель, который дополнительно содержит гафний при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Al | 8,0-9,0 |
Cr | 4,5-6,5 |
W | 2,0-4,2 |
Мо | 2,5-4,5 |
Ti | 1,0-2,0 |
С | 0,10-0,18 |
Hf | 0,40-0,60 |
Ni | остальное |
и изделие, выполненное из него.
Авторами было установлено, что при введении гафния и заявленном содержании и соотношениях компонентов в предлагаемом сплаве на основе интерметаллида Ni3Al наблюдается образование по границам зерен сложных дисперсных жаростойких карбидов типа МеС на основе гафния, благоприятной округлой формы; одновременно снижается степень ликвационной неоднородности сплава и упрочнение дендритов, что способствует снижению скорости диффузии при высоких температурах как в объеме зерна, так и по границам и обеспечивает повышение кратковременной прочности при температурах 1200-1250°С, жаропрочности при температуре 1200°С и рабочих температур изделия.
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 3al и изделие, выполненное из него, патент № 2304179" SRC="" height=100 BORDER="0" ALIGN="absmiddle"> 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 3al и изделие, выполненное из него, патент № 2304179" SRC="" height=100 BORDER="0" ALIGN="absmiddle"> 16 мм и длиной 75 мм получали методом точного литья по выплавляемым моделям с поликристаллической структурой.
Свойства предлагаемого сплава с различным соотношением компонентов и сплава- прототипа, полученных по одной и той же технологической схеме, приведены в таблице 2.
Таблица 1 Составы предлагаемого сплава и сплава-прототипа | |||||||||||
Состав | Содержание элементов, мас.% | ||||||||||
Al | Cr | W | Mo | Ti | С | Hf | Co | La | Zr | Ni | |
1 | 8,5 | 4,5 | 4,2 | 2,5 | 1,5 | 0,18 | 0,6 | - | - | - | Ост. |
2 | 9,0 | 5,5 | 3,1 | 3,5 | 1,0 | 0,14 | 0,5 | - | - | - | -"- |
3 | 8,0 | 6,5 | 2,0 | 4,5 | 2,0 | 0,10 | 0,4 | - | - | - | -"- |
Прототип | 8,5 | 5,0 | 2,2 | 5,0 | 0,9 | 0,16 | 4,0 | 0,008 | 0,2 | -"- |
Таблица2 | ||||
Свойства предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni 3Al и сплава-прототипа | ||||
№ п/п | Кратковременная прочность, 3al и изделие, выполненное из него, патент № 2304179" SRC="" height=100 BORDER="0" ALIGN="absmiddle"> B 1200, кгс/мм 2 | Кратковременная прочность, 3al и изделие, выполненное из него, патент № 2304179" SRC="" height=100 BORDER="0" ALIGN="absmiddle"> B 1250, кгс/мм 2 | Длительная прочность, жаропрочность, 3al и изделие, выполненное из него, патент № 2304179" SRC="" height=100 BORDER="0" ALIGN="absmiddle"> 500 1200, кгс/мм 2 | Рекомендуемые рабочие температуры, °С |
1 | 20,0 | 8,0 | 1,6 | 1200 |
2 | 22,0 | 9,0 | 1,4 | 1250 |
3 | 21,0 | 10,0 | 1,8 | 1300 |
Прототип | 15,0 | не работает | 1,0 | 1150 |
Из таблицы 2 видно, что кратковременная прочность при 1200°С (3al и изделие, выполненное из него, патент № 2304179" SRC="" height=100 BORDER="0" ALIGN="absmiddle"> B 1200) на 33,33-46,67% у предлагаемого сплава выше, чем у сплава-прототипа; при 1250°С (3al и изделие, выполненное из него, патент № 2304179" SRC="" height=100 BORDER="0" ALIGN="absmiddle"> B 1250) - сплав-прототип не работает; жаропрочность при температуре 1200°С на базе 500 часов (3al и изделие, выполненное из него, патент № 2304179" SRC="" height=100 BORDER="0" ALIGN="absmiddle"> 500 1200) у предлагаемого сплава на 40,0-80,0% выше, чем у сплава-прототипа; рекомендуемые рабочие температуры у предлагаемого сплава на 50-150°С выше, чем у сплава-прототипа.
Использование предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni3Al повышает коэффициент полезного действия изделий, температуру газа перед турбиной и увеличивает их ресурс работы в 2 раза.