сплав на основе интерметаллида ni3al и изделие, выполненное из него
Классы МПК: | C22C19/05 с хромом |
Автор(ы): | Базылева Ольга Анатольевна (RU), Бунтушкин Вячеслав Петрович (RU), Каблов Евгений Николаевич (RU), Буркина Валентина Ивановна (RU) |
Патентообладатель(и): | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2007-07-04 публикация патента:
20.03.2009 |
Изобретение относится к 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 газотурбинных двигателей авиационной и автомобильной промышленности. Для повышения пластичности при комнатной температуре, кратковременной прочности при 20°С, многоцикловой усталости при температурах 20 и 900°С и термостойкости сплав имеет следующий состав, мас.%: Al 8,5-9,5, Cr 4,5-5,5, W 1,5-2,5, Мо 2,0-3,0, Со 6,0-8,0, Zr 1,0-1,3, С 0,15-0,20, В 0,001-0,005, Y 0,001-0,005, Ni - остальное. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.
Формула изобретения
1. Сплав на основе интерметаллида Ni3 Al, содержащий алюминий, хром, вольфрам, молибден, кобальт, цирконий, углерод, никель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит бор и иттрий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Al | 8,5-9,5 |
Cr | 4,5-5,5 |
W | 1,5-2,5 |
Mo | 2,0-3,0 |
Co | 6,0-8,0 |
Zr | 1,0-1,3 |
С | 0,15-0,20 |
В | 0,001-0,005 |
Y | 0,001-0,005 |
Ni | остальное |
2. Изделие из сплава на основе интерметаллида Ni 3Al, 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, например, 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.%:
Ni | 50-78 |
Cr | 1,5-5 |
Co | 0-10 |
Mo | 0-4 |
W | 0-8 |
Al | 5-11 |
Ti | 0-9 |
Nb | 0-8 |
Та | 0-15 |
Патент США №3902900
Недостатком этого сплава является высокая плотность, рабочая температура, не превышающая 1150°С, низкая жаропрочность и недостаточная жаростойкость.
Изделия из этого сплава, например проставки соплового аппарата, используются только с защитными покрытиями.
Известен сплав на основе интерметаллида Ni3Al следующего химического состава, мас.%:
Al | 10,5-12,5 |
Cr | 4,0-6,0 |
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 пониженная кратковременная прочность при комнатной температуре и недостаточная жаропрочность при температурах 1000-1200°С.
Изделия из этого сплава, например, рабочие или сопловые лопатки ГТД, имеют ограниченную номенклатуру отливаемых деталей.
Известен сплав на основе интерметаллида Ni3 Al, предназначенный для изделий, получаемых методом точного литья по выплавляемым моделям следующего химического состава, мас.%:
AI | 8,0-9,0 |
Cr | 5,0-6,0 |
W | 4,5-5,5 |
Mo | 2,5-3,5 |
Ti | 1,2-2,0 |
Zr | 0,005-0,04 |
С | 0,12-0,15 |
Y | 0,3-0,4 |
Ni | остальное |
Патент РФ №2215054
Недостатком этого сплава является недостаточная жаропрочность при температурах 1100-1200°С на базе 100 часов (3al и изделие, выполненное из него, патент № 2349662" SRC="" height=100 BORDER="0" ALIGN="absmiddle"> 100 1100=4,2-5,0 кгс/мм2, 3al и изделие, выполненное из него, патент № 2349662" SRC="" height=100 BORDER="0" ALIGN="absmiddle"> 100 1200=1,0-1,2 кгс/мм) на деталях, полученных методом точного литья по выплавляемым моделям с поликристаллической структурой.
Изделия из этого сплава имеют ограниченную номенклатуру отливаемых деталей, а в случае отливки тонкостенных деталей с поликристаллической структурой, например створок и проставок регулируемого сопла, - неудовлетворительный выход годного.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является сплав на основе интерметаллида Ni3 Al, имеющий химический состав, мас.%:
AI | 8,0-9,0 |
Cr | 4,5-5,5 |
W | 1,8-2,5 |
Mo | 4,5-5,5 |
Со | 3,5-4,5 |
Zr | 0,05-0,5 |
С | 0,12-0,2 |
Ti | 0,6-1,2 |
La | 0,0015-0,015 |
Ni | остальное |
и изделие, выполненное из него, Патент РФ №2245387. Сплав-прототип обладает недостаточной пластичностью при комнатной температуре (относительное удлинение, 3al и изделие, выполненное из него, патент № 2349662" SRC="" height=100 BORDER="0" ALIGN="absmiddle"> 20), невысокими кратковременной прочностью при 20°С (предел прочности 3al и изделие, выполненное из него, патент № 2349662" SRC="" height=100 BORDER="0" ALIGN="absmiddle"> B 20), многоцикловой усталостью при температурах 20 и 900°С (предел выносливости на базе 2×107 циклов, 3al и изделие, выполненное из него, патент № 2349662" SRC="" height=100 BORDER="0" ALIGN="absmiddle"> -1 20, 3al и изделие, выполненное из него, патент № 2349662" SRC="" height=100 BORDER="0" ALIGN="absmiddle"> -1 900) и термостойкостью (число циклов N до появления первой трещины длиной 3 мм при теплосменах 200°С 3al и изделие, выполненное из него, патент № 2349662" SRC="" height=100 BORDER="0" ALIGN="absmiddle"> 1100°С).
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 пластичностью при комнатной температуре, кратковременной прочностью при 20°С, многоцикловой усталостью при температурах 20 и 900°С и термостойкостью.
Для достижения поставленной технической задачи предлагается сплав на основе интерметаллида Ni3Al, содержащий алюминий, хром, вольфрам, молибден, кобальт, цирконий, углерод, никель, который дополнительно содержит бор и иттрий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Al | 8,5-9,5 |
Cr | 4,5-5,5 |
W | 1,5-2,5 |
Mo | 2,0-3,0 |
Со | 6,0-8,0 |
Zr | 1,0-1,3 |
С | 0,15-0,20 |
В | 0,001-0,005 |
Y | 0,001-0,005 |
Ni | остальное |
и изделие, выполненное из него.
Авторами было установлено, что при введении бора и иттрия при заявленном содержании и соотношениях компонентов в предлагаемом сплаве наблюдается частичное растворение бора в гранецентрированной кубической решетке соединения Ni3Al, иттрий, соединяясь с кислородом, снижает содержание газов на границах зерен, рафинируя их, и образует интерметаллидное соединение, что обеспечивает повышение пластичности и кратковременной прочности при температуре 20°С, многоцикловой усталости при температурах 20 и 900°С и термостойкости при теплосменах 200°С 3al и изделие, выполненное из него, патент № 2349662" SRC="" height=100 BORDER="0" ALIGN="absmiddle"> 1100°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 3al и изделие, выполненное из него, патент № 2349662" SRC="" height=100 BORDER="0" ALIGN="absmiddle"> 90 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 № 2349662" 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.
Из таблицы 2 видно, что относительное удлинение при 20°С (3al и изделие, выполненное из него, патент № 2349662" SRC="" height=100 BORDER="0" ALIGN="absmiddle"> 20) в 5,5-6,6 раз, а предел прочности при 20°С (3al и изделие, выполненное из него, патент № 2349662" SRC="" height=100 BORDER="0" ALIGN="absmiddle"> в 20) на 11,3-16,1% у предлагаемого сплава выше, чем у сплава-прототипа; предел выносливости на базе 2×107 циклов при температуре 20°С (3al и изделие, выполненное из него, патент № 2349662" SRC="" height=100 BORDER="0" ALIGN="absmiddle"> -1 20) на 20,8-33,3%, а при температуре 900°С (3al и изделие, выполненное из него, патент № 2349662" SRC="" height=100 BORDER="0" ALIGN="absmiddle"> -1 900) на 14,6-24,4% у предлагаемого сплава выше, чем у сплава-прототипа; термостойкость до появления первой трещины длиной 3 мм при теплосменах 200°С 3al и изделие, выполненное из него, патент № 2349662" SRC="" height=100 BORDER="0" ALIGN="absmiddle"> 1100°С у предлагаемого сплава на 60-75% выше, чем у сплава-прототипа.
Использование предлагаемого сплава повышает надежность и ресурс работы деталей.
Таблица 1 | ||||||||||||
состав | Содержание элементов, % масс. | |||||||||||
Al | Cr | W | Mo | Со | Zr | С | Ti | La | В | Y | Ni | |
1 | 8,5 | 4,5 | 2,0 | 2,5 | 7,0 | 1,15 | 0,18 | - | - | 0,001 | 0,005 | Ост. |
2 | 9,0 | 5,5 | 1,5 | 3,0 | 6,0 | 1,0 | 0,15 | - | - | 0,003 | 0,003 | -«- |
3 | 9,5 | 5,0 | 2,5 | 2,0 | 8,0 | 1,3 | 0,20 | - | - | 0,005 | 0,001 | -«- |
Прототип | 8,5 | 5,0 | 2,2 | 5,0 | 4,0 | 0,2 | 0,16 | 0,9 | 0,008 | -«- |
Таблица 2 | |||||
№ п/п | Относительное удлинение, 3al и изделие, выполненное из него, патент № 2349662" SRC="" height=100 BORDER="0" ALIGN="absmiddle"> 20, % | Предел прочности, 3al и изделие, выполненное из него, патент № 2349662" SRC="" height=100 BORDER="0" ALIGN="absmiddle"> в 20, кгс/мм 2 | Предел выносливости на базе 2×10 7 циклов,3al и изделие, выполненное из него, патент № 2349662" SRC="" height=100 BORDER="0" ALIGN="absmiddle"> -1 20, кгс/мм 2 | Предел выносливости на базе 2×10 7 циклов,3al и изделие, выполненное из него, патент № 2349662" SRC="" height=100 BORDER="0" ALIGN="absmiddle"> -1 900, кгс/мм 2 | Термостойкость при теплосменах 200°C 3al и изделие, выполненное из него, патент № 2349662" SRC="" height=100 BORDER="0" ALIGN="absmiddle"> 1100°C, цикл. |
1 | 12,0 | 70,0 | 15,0 | 23,5 | 105 |
2 | 13,5 | 69,0 | 16,0 | 25,0 | 100 |
3 | 14,5 | 72,0 | 14,5 | 25,5 | 96 |
Прототип | 2,2 | 62,0 | 12,0 | 20,5 | 60 |