RU2398906C1

RU2398906C1 - СПЛАВ НА ОСНОВЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДА Ni3Al

Info

Publication number: RU2398906C1
Application number: RU2009133279/02A
Authority: RU
Inventors: Ольга Анатольевна Базылева (RU); Ольга Анатольевна Базылева; Юрий Александрович Бондаренко (RU); Юрий Александрович Бондаренко; Евгений Николаевич Каблов (RU); Евгений Николаевич Каблов; Валентина Алексеевна Сурова (RU); Валентина Алексеевна Сурова; Александр Борисович Ечин (RU); Александр Борисович Ечин; Эльвира Гайсаевна Аргинбаева (RU); Эльвира Гайсаевна Аргинбаева
Priority date: 2009-09-07
Filing date: 2009-09-07
Publication date: 2010-09-10

Abstract

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным сплавам на основе интерметаллида Ni₃Al, получаемым методом направленной кристаллизации и монокристаллического литья, применяемым для изготовления деталей газотурбинных двигателей, таких как сопловые и рабочие лопатки, блоки сопловых лопаток, сегменты камеры сгорания, форсунки и другие, для авиационной и автомобильной промышленности. Предложен сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, содержащий, мас.%: Al 8,0-8,8, Cr 5,0-6,0, W 2,2-3,0, Mo 3,0-4,0, Re 1,0-3,0, Ti 0,5-1,5, C 0,01-0,10, La 0,01-0,30, Zr 0,05-0,50, Hf 0,05-0,70, Y 0,01-0,10, Ni - остальное. Сплав характеризуется повышенными кратковременной прочностью при комнатной температуре и жаропрочностью при температуре 1100°С на базе 500 часов и при 1200°С на базе 100 часов. Использование предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Al повышает температуру газа перед турбиной, тягу двигателя, надежность деталей и увеличивает ресурс их работы. 2 табл.

Description

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным сплавам на основе интерметаллида Ni₃Al, получаемым методом направленной кристаллизации и монокристаллического литья, применяемым для изготовления деталей газотурбинных двигателей, таких как сопловые и рабочие лопатки, блоки сопловых лопаток, сегменты камеры сгорания, форсунки и другие, для авиационной и автомобильной промышленности.

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

Al	7,65-8,45
Cr	3,85-7,6
Mo	6,2-9,65
Zr	0,01-0,3
B	0,01-0,3
Ni	остальное

(патент US №6106640)

Недостатками этого сплава являются низкая (1-2%) пластичность в диапазоне температур 20-700°С и недостаточная жаростойкость при температурах 1000-1100°С.

Изделия из этого сплава используются для наземных силовых установок с ограниченным ресурсом работы.

Al	7,7-8,7
Cr	5,0-6,0
Co	4,0-6,0
W	2,5-3,5
Mo	4,5-5,5
Re	1,2-1,8
Ti	0,3-0,8
C	0,001-0,02
Zr	0,05-0,5
La	0,002-0,20
Ni	остальное

(патент РФ №2256716)

Этот сплав обладает недостаточными кратковременной прочностью и жаропрочностью при температуре 1200°С и не работоспособен при температуре выше 1200°С.

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

Al	9,2-9,6
Cr	4,2-4,8
W	2,7-3,2
Mo	2,8-3,2
Та	0,1-0,5
Ti	1,0-1,4
C	0,001-0,02
Zr	0,05-0,5
La	0,0015-0,015
Ni	остальное

(патент РФ №2256714)

Недостатками этого сплава является пониженная кратковременная прочность при комнатной температуре и недостаточная жаропрочность в интервале температур 1000-1100°С на базе испытания 500 часов.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, имеющий следующий химический состав, мас.%:

Al	8,5-9,5
Cr	4,8-5,5
W	2,6-3,2
Mo	2,5-3,5
Re	1,0-3,5
Ti	1,0-1,6
C	0,001-0,005
La	0,0015-0,015
Ni	остальное

(патент РФ №2237093)

Недостатками этого сплава являются недостаточная кратковременная прочность при комнатной температуре и жаропрочность при температуре 1100°С на базе 500 часов и при 1200°С на базе 100 часов.

Изделия из этого сплава имеют ограниченный ресурс работы.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание сплава на основе интерметаллида Ni₃Al, обладающего повышенными кратковременной прочностью при комнатной температуре и жаропрочностью при температуре 1100°С на базе 500 часов и при 1200°С на базе 100 часов.

Для достижения поставленной технической задачи предлагается сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, содержащий алюминий, хром, вольфрам, молибден, рений, титан, углерод, лантан, никель, который дополнительно содержит цирконий, гафний и иттрий, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Al	8,0-8,8
Cr	5,0-6,0
W	2,2-3,0
Mo	3,0-4,0
Re	1,0-3,0
Ti	0,5-1,5
C	0,01-0,10
La	0,01-0,30
Zr	0,05-0,50
Hf	0,05-0,70
Y	0,01-0,10
Ni	остальное

Авторами было установлено, что при введении в состав циркония и гафния, связывающих углерод и действующих как раскислитель иттрия, при заявленном содержании и соотношениях компонентов в предлагаемом сплаве на основе интерметаллида Ni₃Al наблюдается снижение содержания кислорода и примесей в расплаве и образование мелкодисперсных интерметаллидных фаз, при этом достигается наибольший эффект повышения кратковременной прочности при комнатной температуре и жаропрочности сплава при температурах 1100° на базе 500 часов и при 1200°С на базе 100 часов.

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

Перед последующими операциями шихтовую заготовку протачивали по поверхности на глубину 1-2 мм для удаления слоя, контактирующего с чугуном, затем разрезали на мерные заготовки для последующего переплава весом по 3,5 кг методом направленной кристаллизации.

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, приведенные в таблице 2, определяли на стандартных образцах при соотношении 1/d=5. Критерием являются средние значения из 10 образцов на точку с доверительной вероятностью 0,8.

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 выше, чем свойства известного сплава-прототипа: кратковременная прочность при комнатной температуре (σ²⁰ _В) - на 10-24% и жаропрочность сплава на основе интерметаллида Ni₃Al при температуре 1100°С на базе 500 часов (σ¹¹⁰⁰ ₅₀₀) - на 17,6-29,4% и при 1200°С на базе 100 часов (σ¹²⁰⁰ ₁₀₀) - на 10,0-20,0%.

Использование предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Al повышает температуру газа перед турбиной, тягу двигателя, надежность деталей и увеличивает ресурс их работы.

Таблица 1
состав	Содержание элементов, мас.%
состав	Al	Cr	W	Mo	Re	Ti	C	La	Hf	Zr	Y	Ni
1	8,0	5,5	2,2	4,0	3,0	1,5	0,10	0,01	0,05	0,50	0,10	ост.
2	8,4	5,0	2,6	3,5	2,0	1,0	0,04	0,2	0,40	0,25	0,05	ост.
3	8,8	6,0	3,0	3,0	1,0	0,5	0,01	0,3	0,70	0,05	0,01	ост.
прототип	9,0	5,15	2,9	3,0	1,75	1,3	0,003	0,01	-	-	-	ост.

Таблица 2
Свойства	σ_в ²⁰, кгс/мм²	σ¹¹⁰⁰ ₅₀₀, кгс/мм²	σ¹²⁰⁰ ₁₀₀, кгс/мм²
1	174,0	10,0	5,8
2	155,6	10,5	6,0
3	156,8	11,0	5,5
прототип	140,2	8,5	5,0

Claims

Сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, содержащий алюминий, хром, вольфрам, молибден, рений, титан, углерод, лантан и никель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит цирконий, гафний и иттрий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Al 8,0-8,8 Cr 5,0-6,0 W 2,2-3,0 Mo 3,0-4,0 Re 1,0-3,0 Ti 0,5-1,5 C 0,01-0,10 La 0,01-0,30 Zr 0,05-0,50 Hf 0,05-0,70 V 0,01-0,10 Ni остальное