сплав на основе интерметаллида ni₃al и изделие, выполненное из него

Формула изобретения

1. Сплав на основе интерметаллида Ni₃ Al, содержащий алюминий, хром, вольфрам, молибден, титан, углерод, кобальт, лантан, никель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит скандий при следующем соотношении компонентов, 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	0,01-0,08
Co	3,5-4,5
La	0,0015-0,015
Sc	0,015-0,03
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 направленной столбчатой и монокристаллической структурами, таким как, например, рабочие и сопловые лопатки, блоки сопловых лопаток и другие детали газотурбинных двигателей авиационной, автомобильной промышленности.

Известен сплав на основе интерметаллида Ni₃Al следующего химического состава, мас.%:

Al	7,6-8,5
Мо	6,1-9,6
Cr	3,8-7,7
Zr	0,07-0,34
В	0,01-0,33
Ni	остальное

(патент США №6106640).

Недостатком этого сплава является нулевая пластичность 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 сплав на основе интерметаллида Ni ₃Al и изделия, получаемые методами гранульной металлургии, следующего химического состава, мас.%:

Al	8,0-9,0
Cr	4,0-5,0
W	4,5-5,5
Мо	1,8-3,2
Ti	1,2-2,0
Та	1,2-2,2
С	0,03-0,09
Er	0,02-0,08
Ni	остальное

(патент РФ №2297467).

Недостатком этого сплава является неудовлетворительная выносливость при температурах 20 и 900°С.

Из этого сплава изготавливают детали, имеющие небольшой ресурс.

Известен сплав на основе интерметаллида Ni₃Al следующего химического состава, мас.%:

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	0,002-0,2
Zr	0,05-0,5
Ni	остальное

(патент РФ №2256716).

Недостатком этого сплава является повышенная плотность и неудовлетворительная жаропрочность при температуре 1200°С на базе 100 часов, что ограничивает номенклатуру отливаемых изделий.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является сплав на основе интерметаллида Ni ₃Al, имеющий 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
La	0,0015-0,015
Zr	0,05-0,5
Ni	остальное

и изделие, выполненное из него (патент РФ №2245387).

Недостатком этого сплава является неудовлетворительная жаропрочность в интервале температур 900-1100°С на базе испытания 500 часов.

Недостатком изделий, выполненных из этого сплава, является низкий выход годного при отливке деталей с направленной столбчатой и монокристаллической структурами.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение жаропрочности сплава на основе интерметаллида Ni₃Al в интервале температур 900-1100°С на базе 500 часов и повышение выхода годного при отливке деталей с направленной столбчатой и монокристаллической структурами.

Для достижения поставленной технической задачи предлагается сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, содержащий алюминий, хром, вольфрам, молибден, титан, углерод, кобальт, лантан, никель, который дополнительно содержит скандий, при следующем соотношении компонентов, 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	0,01-0,08
Со	3,5-4,5
La	0,0015-0,015
Sc	0,015-0,03
Ni	остальное

и изделие, выполненное из него.

Сплав может содержать в виде примесей серу, фосфор, железо, кремний, свинец, висмут, олово и сурьму соответственно в количествах, меньших или равных, мас.%: 0,005; 0,015; 0,5; 0,4; 0,001; 0,0005; 0,003; 0,003.

Авторами было установлено, что при введении в состав скандия, действующего как раскислитель, и заявленном содержании и соотношениях компонентов в предлагаемом сплаве на основе интерметаллида Ni ₃Al наблюдается снижение содержания кислорода в расплаве и образование мелкодисперсной интерметаллидной фазы, при этом достигается наибольший эффект повышения жаропрочности сплава в интервале температур 900-1100°С и повышения выхода годного при отливке изделий с направленной столбчатой и монокристаллической структурами.

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 № 2349663" SRC="/images/patents/116/2349663/2349663.jpg" 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 сера, фосфор, сурьма, висмут 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 2 кг для последующего переплава.

Заготовки под образцы 3al и изделие, выполненное из него, патент № 2349663" SRC="/images/patents/116/2349663/2349663.jpg" height=100 BORDER="0" ALIGN="absmiddle"> 16 мм и длиной 150 мм получали методом направленной кристаллизации в вакууме.

Поверхность образцов и деталей контролировалась путем выявления макроструктуры травлением в смеси соляной кислоты и перекиси водорода. При наличии одного макрозерна вдоль оси образца - отливки считаются монокристаллическими, при наличии двух и более зерен без выклиниваний - с направленной столбчатой структурой.

С целью повышения жаропрочности сплава при высоких температурах, а также 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, полученных по одной и той же технологической схеме, приведены в таблице 2.

Из таблицы 2 видно, что свойства предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Al выше, чем свойства известного сплава-прототипа: жаропрочность при температуре 900°С на базе испытания 500 часов на образцах с направленной столбчатой структурой (3al и изделие, выполненное из него, патент № 2349663" SRC="" height=100 BORDER="0" ALIGN="absmiddle"> ⁹⁰⁰ ₅₀₀) - на 27,6 - 37,9%, с монокристаллической структурой - на 66,7 - 72,7%; жаропрочность при температуре 1000°С на базе испытания 500 часов с направленной столбчатой структурой (3al и изделие, выполненное из него, патент № 2349663" SRC="" height=100 BORDER="0" ALIGN="absmiddle"> ¹⁰⁰⁰ ₅₀₀) - на 66,7 - 111,1%, с монокристаллической структурой - на 36,8 - 57,9%; жаропрочность при температуре 1100°С на базе испытания 500 часов с направленной столбчатой структурой (3al и изделие, выполненное из него, патент № 2349663" SRC="" height=100 BORDER="0" ALIGN="absmiddle"> ¹¹⁰⁰ ₅₀₀) - на 57,1 - 100%, с монокристаллической структурой - на 77,8 - 100%; выход годного деталей с направленной столбчатой структурой - на 27,8 - 31,9%, с монокристаллической структурой - в 1,5-1,75 раз.

Использование предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Al повышает надежность деталей и увеличивает ресурс их работы.

3al и изделие, выполненное из него, патент № 2349663" SRC="" height=100 BORDER="0"> 3al и изделие, выполненное из него, патент № 2349663" SRC="" height=100 BORDER="0">