способ получения жаропрочных сплавов

Формула изобретения

1. Способ получения жаропрочного сплава, включающий приготовление реакционной смеси исходных компонентов, содержащей оксиды кобальта, хрома и молибдена, алюминий и углерод, помещение реакционной смеси в тугоплавкую форму, размещение формы в центрифуге, воспламенение смеси и проведение синтеза в режиме горения при установившемся центробежном ускорении, отличающийся тем, что в реакционную смесь дополнительно вводят оксиды никеля и титана, бор и цирконий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

оксид никеля	40,0-43,7
алюминий	34,1-37,2
оксид хрома	2,9-4,3
оксид кобальта	12,0-13,2
оксид титана	1,3-2,4
оксид молибдена	3,1-3,9
углерод	0,05-0,65
бор	0,03-0,05
цирконий	0,03-0,05,

а синтез проводят при центробежном ускорении 200-300g.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в смесь исходных компонентов дополнительно вводят функциональные добавки Al₂O₃, CaF₂ и Na ₃AlF₆ с суммарным содержанием до 20 мас.%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения жаропрочных сплавов (ЖС), которые могут быть использованы в области авиационного двигателестроения для получения лопаток и защитных покрытий на бандажных полках лопаток газотурбинных двигателей (ГТД) и газотурбинных установок (ГТУ).

Известен способ, по которому получают композиционный материал, который состоит из 2-2,8 об. % упрочняющей фазы Y ₂ O₃ и матрицы, содержащей, мас.%: алюминий 26,8-29,2; кобальт 8,5-12,2; ниобий 2,2-3,6; хром 2,0-3,9; никель 53,5-58,2. Способ включает смешивание порошка сплава матрицы и упрочняющей фазы с одновременным измельчением порошка сплава до размера менее 10 мкм. Смесь экструдируют в капсуле при температуре 1100-1200°C с коэффициентом вытяжки более 15 и отжигают при температуре выше 0,8 Т_пл сплава матрицы с градиентом температуры по длине экструдированной заготовки. (RU 2371496 C1, C22C 1/05, C22C 19/03, 27.10.2009 г.).

Недостатком известного способа является сложность технологии, использование высокотемпературного оборудования и большой расход электроэнергии.

Известен способ, в котором получают сплав на основе интерметаллида NiAl, который содержит, мас.%: алюминий 24-30, кобальт 8,0-18,0, ниобий 3-5, никель - остальное. Порошок сплава с размером частиц менее 10 мкм помещают в стальные капсулы и экструдируют с температурой подогрева от 1000 до 1200°С и коэффициентом вытяжки не менее 15. Далее удаляют материал капсулы с экструдированного полуфабриката, осуществляют механическую обработку полуфабриката для получения заготовки детали и термическую обработку заготовки при температуре от 1450 до 1550°C. (RU № 2368682 C1, C22C 1/04, C22C 19/03, 27.09.2009 г.).

Недостатком известного способа является многостадийность процесса, использование высокотемпературного нагрева, использование в качестве исходного сырья металлов, что приводит к удорожанию продукта синтеза.

Наиболее близким аналогом к заявляемому является способ получения литого сплава в режиме горения, который включает приготовление реакционной смеси исходных компонентов, содержащей оксид молибдена, алюминий, углерод, оксид хрома III, оксид ниобия, оксид вольфрама и оксид кобальта, помещение реакционной смеси в тугоплавкую форму с размещенным между исходной смесью и стенкой формы функциональным слоем из оксида алюминия толщиной 5-10 мм, размещение формы на центрифуге, воспламенение смеси и проведение синтеза в режиме горения при центробежном ускорении 30-50g с последующим отделением литого сплава на основе кобальта от продукта синтеза, при этом исходную смесь готовят при следующем соотношении компонентов, мас.%: оксид молибдена 1,1-1,8, алюминий 20,0-23,5, углерод 2,2-2,8, оксид хрома III 15,0-19,0, оксид ниобия 13,0-16,0, оксид вольфрама 1,0-2,8, оксид кобальта 35,0-45,0.

Недостатком этого способа является то, что он не позволяет получать жаропрочные сплавы на основе интерметаллидов алюминия с удельным весом 6,5 г/см³ для получения износостойких покрытий на лопатках газотурбинных двигателей (ГТД) и газотурбинных установок (ГТУ). Этот способ предназначен для получения «тяжелых» сплавов (p<8,0 г/см³).

Техническим результатом заявляемого изобретения является разработка высокопроизводительной одностадийной технологии с малыми энергозатратами и высоким выходом целевого продукта, которая позволяет получать жаропрочные сплавы на основе алюминидов никеля с малым удельным весом ( <6,5 г/см³).

Технический результат достигается тем, что способ получения жаропрочных сплавов включает приготовление реакционной смеси исходных компонентов, содержащей оксиды кобальта, хрома, молибдена, а также алюминий и углерод, помещение реакционной смеси в тугоплавкую форму, размещение формы в центрифуге, воспламенение смеси и проведение синтеза в режиме горения при установившемся центробежном ускорении, при этом в реакционную смесь дополнительно вводят оксиды никеля и титана, а также бор и цирконий при следующим соотношении компонентов, мас.%: оксид никеля - 40,0-43,7, алюминий - 34,1-37,2, оксид хрома - 2,9-4,3, оксид кобальта - 12,0-13,2, оксид титана - 1,3-2,4, оксид молибдена - 3,1-3,9, углерод - 0,05-0,65, бор - 0,03-0,05, цирконий - 0,03-0,05, а синтез проводят при центробежном ускорении 200-300g. Кроме того, в смесь исходных компонентов могут быть введены функциональные добавки Al₂O₃, CaF ₂ и Na₃AlF₆, с суммарным содержанием до 20 мас.%.

Техническая задача, решается за счет выбора состава исходной смеси, включающей высокое содержание Al и оксида никеля, высокой перегрузки (200-300g), позволяющих получить жаропрочный сплавы на основе алюминида никеля с удельным весом менее 6,5 г/см³ и удельными характеристиками жаропрочности, превышающими характеристики промышленных сплавов. Высокое содержание никеля и алюминия позволяет сформировать в продуктах синтеза (ЖС) дисперсно-упрочняющую фазу NiAl, определяющую высокую жаройстойкость синтезированного ЖС. Введение в исходную смесь бора, циркония, оксида титана, а также наличие в смеси оксидов кобальта, хрома и молибдена позволяет сформировать пластичную матрицу, в которой распределена дисперсно-упрочняющая фаза. Вне заявленных пределов по составу и величине перегрузки формируется ЖС с низкими характеристиками по жаропрочности и весу целевого продукта.

Высокая перегрузка и функциональные добавки (ФД) - Al₂O₃, CaF₂ и Na₃AlF₆, до 20%, уменьшающие вязкость расплава продуктов горения, позволяют осуществить высокий выход целевого продукта в слиток. Сущность способа подтверждается примерами.

Пример 1.

Готовят реакционную смесь исходных компонентов при следующем соотношении, мас.%: оксид никеля - 40,00, алюминий - 36,90, оксид хрома - 4,30, оксид кобальта - 12,67, оксид титана - 2,09, оксид молибдена - 3,90, углерод - 0,06, бор - 0,03, цирконий - 0,05 помещают смесь в тугоплавкую форму, размещают форму в центрифуге, воспламеняют смесь и проводят синтез в режиме горения при центробежном ускорении, равном 200g.

После завершения процесса горения, продукт синтеза охлаждают и извлекают из реактора. Продукт горения представляет собой двухслойный слиток: верхний слой - оксидный раствор на основе корунда, нижний слой - (целевой продукт) представляет собой жаропрочный сплав. Выход целевого продукта (жаропрочного сплава) составляет - 56 вес.% от веса целевых компонентов в исходной смеси (максимальный теоретически рассчитанный выход составляет 59 вес.%). Жаропрочный сплав содержит в своем составе, (вес.%): никель - 50,80, алюминий - 23,10, хром - 4,20, кобальт - 15,80, титан - 1,50, молибден - 4,50, углерод - 0,09, бор - 0,04, цирконий - 0,04. Плотность полученного жаропрочного сплава составляет 6,3 г/см³.

Пример 2.

Готовят реакционную смесь исходных компонентов при следующем соотношении, мас.%: оксид никеля - 33,82, алюминий - 29,76, оксид хрома - 2,32, оксид кобальта - 9,60, оксид титана - 1,91, оксид молибдена - 2,48, углерод - 0,05, бор - 0,03, цирконий - 0,03 и функциональные добавки Al₂O₃, CaF ₂ и Na₃AlF₆, с суммарным содержанием 20,00%, помещают в тугоплавкую форму, размещают форму в центрифуге, воспламеняют смесь и проводят синтез в режиме горения при центробежном ускорении, равном 250g.

После завершения процесса горения продукт синтеза охлаждают и извлекают из реактора. Продукт горения представляет собой двухслойный слиток: верхний слой - оксидный раствор на основе корунда, нижний слой (целевой продукт) представляет собой жаропрочный сплав. Выход целевого продукта (жаропрочного сплава) составляет 58,4 вес.% от веса целевых компонентов в исходной смеси.

Жаропрочный сплав содержит в своем составе, (вес.%): никель - 52,00, алюминий - 22,40, хром - 4,00, кобальт - 16,00, титан - 1,4, молибден - 4,00, углерод - 0,1, бор - 0,05, цирконий - 0,05. Плотность полученного жаропрочного сплава составляет 6,4 г/см³.

Все примеры сведены в таблицу 1.

Таблица 1
№ Примера	Состав реакционной смеси компонентов, мас.%										Величина перегрузки, g
	оксид Ni	Al	оксид Cr	оксид Co	оксид Ti	оксид Mo	C	B	Zr	ФД
1	40,00	36,90	4,30	12,67	2,09	3,90	0,06	0,03	0,05	-	200
2	33,82	29,76	2,32	9,60	1,91	2,48	0,05	0,03	0,03	20	250
3	35,93	31,62	2,46	10,20	2,04	2,64	0,05	0,03	0,03	15	250
4	38,04	33,48	2,60	10,80	2,16	2,79	0,05	0,04	0,04	10	250
5	42,27	37,20	2,90	12,00	2,40	3,10	0,05	0,04	0,04	-	250
6	43,70	34,10	3,37	13,20	1,30	3,60	0,65	0,05	0,03	-	300

Состав и свойства целевого материала по примерам представлены в таблице 2.

Таблица 2
№ примера	Состав ЖС, мас.%									Выход в слиток, вес.%	Плотность, г/см3
	Ni	Cr	Co	Ti	Mo	Al	C	B	Zr
1	50,8	4,20	15,80	1,5	4,50	23,10	0,09	0,04	0,04	56,00	6,30
2	52,00	4,00	16,00	1,4	4,00	22,40	0,10	0,05	0,05	58,40	6,40
3	52,00	4,00	16,00	1,4	4,00	22,40	0,10	0,05	0,05	59,40	6,40
4	52,00	4,00	16,00	1,4	4,00	22,40	0,10	0,05	0,05	58,60	6,40
5	52,00	4,00	16,00	1,4	4,00	22,40	0,10	0,05	0,05	56,40	6,40
6	52,5	3,80	16,30	1,2	3,90	22,00	0,15	0,06	0,06	55,50	6,20

Таким образом, заявляемый способ получения жаропрочных сплавов позволяет получать жаропрочные сплавы на основе интерметаллида NiAl, обладающие малым удельным весом, которые используются в авиационной промышленности для изготовления наиболее нагруженных деталей машин и механизмов, например лопаток газотурбинных двигателей (ГТД) и газотурбинных установок (ГТУ), обладает высокой производительностью и малой энегоемкостью, экологически чист, т.к. в продуктах синтеза отсутствуют газообразные продукты, загрязняющие атмосферу, технологичен, т.к. графитовая форма используется многократно.