RU2773969C2 - Turbine part of alloy with max-phase content - Google Patents
Turbine part of alloy with max-phase content Download PDFInfo
- Publication number
- RU2773969C2 RU2773969C2 RU2020112704A RU2020112704A RU2773969C2 RU 2773969 C2 RU2773969 C2 RU 2773969C2 RU 2020112704 A RU2020112704 A RU 2020112704A RU 2020112704 A RU2020112704 A RU 2020112704A RU 2773969 C2 RU2773969 C2 RU 2773969C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- substrate
- turbine
- less
- phase
- alc
- Prior art date
Links
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 8
- 239000000956 alloy Substances 0.000 title claims abstract description 8
- REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N aluminium(3+) Chemical class [Al+3] REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 7
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 97
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims abstract description 43
- 210000004027 cells Anatomy 0.000 claims abstract description 24
- 238000002490 spark plasma sintering Methods 0.000 claims abstract description 20
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 19
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 16
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminum Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims abstract description 12
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 229910016469 AlC Inorganic materials 0.000 claims description 33
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- TXKRDMUDKYVBLB-UHFFFAOYSA-N methane;titanium Chemical compound C.[Ti] TXKRDMUDKYVBLB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 8
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 8
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N al2o3 Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 6
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 claims description 6
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 5
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims description 5
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 abstract description 24
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 abstract description 24
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 229910009818 Ti3AlC2 Inorganic materials 0.000 abstract 2
- 238000004663 powder metallurgy Methods 0.000 abstract 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 24
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 230000004584 weight gain Effects 0.000 description 11
- 235000019786 weight gain Nutrition 0.000 description 11
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 6
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 6
- 229910000601 superalloy Inorganic materials 0.000 description 6
- 229910010038 TiAl Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 5
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 5
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 229940040608 SPS Drugs 0.000 description 2
- 239000000567 combustion gas Substances 0.000 description 2
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 2
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000001681 protective Effects 0.000 description 2
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 229910052793 cadmium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052729 chemical element Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 239000001995 intermetallic alloy Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000877 morphologic Effects 0.000 description 1
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007669 thermal treatment Methods 0.000 description 1
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеThe field of technology to which the invention belongs
Изобретение относится к детали турбины, например, лопатке турбины или лопатке соплового аппарата, применяемой в авиастроении, в частности, к детали турбины, содержащей подложку, материал которой содержит МАХ-фазу. Также изобретение относится к способу изготовления такой детали турбины.The invention relates to a turbine part, for example, a turbine blade or a nozzle blade used in the aircraft industry, in particular, to a turbine part containing a substrate, the material of which contains the MAX phase. The invention also relates to a method for manufacturing such a turbine part.
Уровень техникиState of the art
В турбореактивном двигателе газообразные продукты сгорания, выходящие из камеры сгорания могут достигать высокой температуры, превышающей 1200°С, даже 1600°С. Следовательно, детали турбореактивного двигателя, контактирующие с этими газообразными продуктами сгорания, такие, например, как лопатки турбины, должны обладать способностью сохранять свои механические свойства при этих высоких температурах.In a turbojet engine, the combustion gases leaving the combustion chamber can reach high temperatures in excess of 1200°C, even 1600°C. Therefore, parts of a turbojet engine that come into contact with these combustion gases, such as turbine blades, must be able to maintain their mechanical properties at these high temperatures.
Известно, что для этого некоторые детали турбореактивного двигателя изготавливаются из суперсплава. Суперсплавы, как правило, на основе никеля образуют группу металлических сплавов с высоким пределом прочности, способных работать при температурах, относительно близких к их точке плавления (обычно при коэффициенте от 0,7 до 0,9 от их температуры плавления).It is known that for this some parts of the turbojet engine are made of superalloy. Nickel based superalloys generally form a group of high tensile metal alloys capable of operating at temperatures relatively close to their melting point (typically a factor of 0.7 to 0.9 of their melting point).
Однако эти сплавы очень плотные и их масса ограничивает КПД турбин.However, these alloys are very dense and their mass limits the efficiency of turbines.
В связи с этим был применен интерметаллический сплав TiAl для изготовления лопаток турбины. Данный материал менее плотный, чем суперсплав на основе никеля, и его механические свойства позволяют устанавливать детали из TiAl на некоторых участках турбины. Действительно детали из TiAl могут обладать, например, стойкостью к окислению при температуре до приблизительно 750°С.In this regard, the TiAl intermetallic alloy was used for the manufacture of turbine blades. This material is less dense than nickel-based superalloy and its mechanical properties allow TiAl parts to be installed in some areas of the turbine. Indeed parts of TiAl may have, for example, resistance to oxidation at temperatures up to about 750°C.
Однако в настоящее время TiAl не позволяет изготавливать детали турбины, имеющие долговечность и стойкость к окислению, достаточные для температур свыше 800°С, в противоположность некоторым суперсплавам на основе никеля.However, TiAl currently does not allow turbine parts to be made that have sufficient durability and oxidation resistance for temperatures above 800° C., in contrast to some nickel-based superalloys.
Поэтому были применены материалы с содержанием так называемых МАХ-фаз при производстве деталей турбины. Материалами с МАХ-фазой являются материалы общей формулы Mn+1AXn, в которой n - целое число от 1 до 3, М - металл переходной группы (выбирается из Se, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Та), A - элемент из группы А, т.е. выбранный из группы Al, Si, Р, Ga, Ge, As, Cd, In, Sn, Ti, Pb, и X - элемент, выбранный из углерода и азота. Состав МАХ-фазы материала обеспечивает специфические свойства материала в отношении окисления, плотности и сопротивления ползучести, в частности, в диапазоне рабочих температур турбины, например, от 800 до 1200°С. В частности, известно применение материала с содержанием фазы Ti3AlC2 при изготовлении детали турбины. Действительно алюминий в фазе Ti3AlC2 позволяет образовать защитный слой из оксида алюминия, предохраняющий деталь от окисления при работе турбины. Углерод в фазе Ti3AlC2 придает материалу оптимальные показатели сопротивления ползучести в диапазоне рабочей температуры турбины. Наконец титан в фазе Ti3AlC2 придает материалу низкую плотность по сравнению с другими материалами с содержанием МАХ-фазы.Therefore, materials containing the so-called MAX-phases were used in the production of turbine parts. Materials with MAX-phase are materials of the general formula M n+1 AX n , in which n is an integer from 1 to 3, M is a metal of the transition group (selected from Se, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf , Ta), A is an element from the group A, i.e. selected from the group of Al, Si, P, Ga, Ge, As, Cd, In, Sn, Ti, Pb, and X is an element selected from carbon and nitrogen. The composition of the MAX-phase of the material provides the specific properties of the material in terms of oxidation, density and creep resistance, in particular in the operating temperature range of the turbine, for example, from 800 to 1200°C. In particular, it is known to use a material containing a Ti 3 AlC 2 phase in the manufacture of a turbine part. Indeed, aluminum in the Ti 3 AlC 2 phase makes it possible to form a protective layer of aluminum oxide, which protects the part from oxidation during turbine operation. The carbon in the Ti 3 AlC 2 phase gives the material optimum creep resistance in the turbine operating temperature range. Finally, titanium in the Ti 3 AlC 2 phase gives the material a low density compared to other materials containing the MAX phase.
В источнике информации FR 3032449 описан, например, материал для применения в авиационной области, обладающий повышенной механической плотностью. Этот материал содержит в себе первую МАХ-фазу типа Ti3AlC2 и вторую интерметаллическую фазу типа TiAl3, при этом объемная доля МАХ-фазы составляет от 70 до 95%, объемная доля интерметаллической фазы - от 5 до 30%.
Тем не менее описанные в данном источнике информации материалы подвержены слишком большому окислению при 1100°С для того, чтобы быть пригодными для изготовления деталей турбины в авиастроении.However, the materials described in this source of information are subject to too much oxidation at 1100°C to be suitable for the manufacture of turbine parts in the aircraft industry.
Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention
Одна из задач изобретения состоит в разработке решения для изготовления детали турбины из материала с содержанием МАХ-фазы, характеризующегося одновременно специфической повышенной механической прочностью и повышенной стойкостью к окислению в диапазоне рабочих температур турбины и являющегося менее плотным по сравнению с материалами из суперсплавов на основе никеля.One of the objectives of the invention is to provide a solution for manufacturing a turbine part from a MAX-phase material that is characterized by both specific increased mechanical strength and increased oxidation resistance in the operating temperature range of the turbine and is less dense compared to nickel-based superalloy materials.
Указанная задача решена в рамках настоящего изобретения в детали турбины, содержащей поликристаллическую подложку, причем эта подложка содержит зерна и по меньшей мере одну фазу Ti3AlC2, при этом массовая доля этой фазы в сплаве превышает 97%, причем каждое зерно обладает длиной и шириной, при этом:This problem has been solved within the framework of the present invention in a turbine part containing a polycrystalline substrate, this substrate containing grains and at least one Ti 3 AlC 2 phase, while the mass fraction of this phase in the alloy exceeds 97%, and each grain has a length and width , wherein:
- средняя длина зерен составляет менее 50 мкм,- the average grain length is less than 50 microns,
- среднее отношение между шириной и длиной зерен составляет от 0,4 до 0,6 и- the average ratio between the width and length of the grains is from 0.4 to 0.6 and
- средний объем элементарной ячейки фазы Ti3AlC2 составляет менее 152,4 Å3.- the average unit cell volume of the Ti 3 AlC 2 phase is less than 152.4 Å 3 .
Поскольку средняя длина зерен меньше 50 мкм, среднее отношение между шириной и длиной составляет от 0,4 до 0,6 и средний объем элементарной ячейки фазы Ti3AlC2 менее 152,4 Å3, то микроморфология фазы Ti3AlC2 обеспечивает повышенную стойкость к окислению в диапазоне рабочих температур турбины.Since the average grain length is less than 50 μm, the average ratio between width and length is from 0.4 to 0.6, and the average unit cell volume of the Ti 3 AlC 2 phase is less than 152.4 Å 3 , the micromorphology of the Ti 3 AlC 2 phase provides increased resistance to oxidation in the operating temperature range of the turbine.
Предпочтительно изобретение дополнительно содержит следующие признаки, взятые отдельно или в любой из их технически возможных комбинаций:Preferably, the invention further comprises the following features, taken alone or in any of their technically possible combinations:
- подложка содержит карбид титана, при этом его массовая доля в подложке составляет менее 0,8%,- the substrate contains titanium carbide, while its mass fraction in the substrate is less than 0.8%,
- подложка содержит оксид алюминия, при этом его массовая доля в подложке составляет менее 3%,- the substrate contains aluminum oxide, while its mass fraction in the substrate is less than 3%,
- подложка содержит интерметаллические соединения TixAly, при этом их объемная доля в подложке составляет менее 1%,- the substrate contains intermetallic compounds Ti x Al y , while their volume fraction in the substrate is less than 1%,
- подложка содержит фазы, включающие в себя железо и/или вольфрам, при этом сумма средней объемной доли железа и вольфрама в указанных фазах составляет менее 2%,- the substrate contains phases containing iron and/or tungsten, while the sum of the average volume fraction of iron and tungsten in these phases is less than 2%,
- относительная плотность фазы Ti3AlC2 превышает 96%.- the relative density of the Ti 3 AlC 2 phase exceeds 96%.
Другим объектом изобретения является лопатка турбины, содержащая описанную выше деталь.Another object of the invention is a turbine blade containing the part described above.
Другим объектом изобретения является сопловой аппарат турбины, содержащий описанную выше деталь.Another object of the invention is a turbine nozzle apparatus containing the part described above.
Другим объектом изобретения является турбина, содержащая описанные выше рабочую лопатку турбины и/или лопатку статора турбины.Another subject of the invention is a turbine comprising a turbine blade and/or a turbine stator blade as described above.
Другим объектом изобретения является способ изготовления детали турбины, при этом деталь содержит поликристаллическую подложку, эта подложка содержит зерна и по меньшей мере одну фазу Ti3AlC2, причем массовая доля этой фазы в сплаве превышает 97%, каждое зерно имеет длину и ширину, средняя длина зерен менее 50 мкм, среднее отношение ширины к длине составляет от 0,4 до 0,6, средний объем элементарной ячейки фазы Ti3AlC2 составляет менее 152,4 Å3, согласно изобретению, способ содержит этап искрового плазменного спекания.Another object of the invention is a method for manufacturing a turbine part, wherein the part contains a polycrystalline substrate, this substrate contains grains and at least one Ti 3 AlC 2 phase, and the mass fraction of this phase in the alloy exceeds 97%, each grain has a length and width, average the grain length is less than 50 μm, the average ratio of width to length is from 0.4 to 0.6, the average unit cell volume of the Ti 3 AlC 2 phase is less than 152.4 Å 3 , according to the invention, the method contains a stage of spark plasma sintering.
Предпочтительно изобретение дополнительно содержит следующие признаки, взятые отдельно или в любой технически возможной комбинации:Preferably, the invention further comprises the following features, taken alone or in any technically feasible combination:
- температура на этапе искрового плазменного спекания составляет менее 1400°С,- the temperature at the stage of spark plasma sintering is less than 1400°C,
- давление на этапе искрового плазменного спекания составляет более 60 МПа,- the pressure at the stage of spark plasma sintering is more than 60 MPa,
- на этапе искрового плазменного спекания применяется термообработка при максимальной температуре при максимальной продолжительности менее десяти минут,- at the stage of spark plasma sintering, heat treatment is applied at a maximum temperature with a maximum duration of less than ten minutes,
- этап искрового плазменного спекания включает в себя подэтап охлаждения, причем скорость охлаждения на этом подэтапе составляет менее 100°С в минуту,the spark plasma sintering step includes a cooling sub-step, wherein the cooling rate in this sub-step is less than 100° C. per minute,
- способ изготовления детали включает в себя следующие этапы:- the method of manufacturing a part includes the following steps:
а) смешение и гомогенизация порошков, содержащих по меньшей мере титан, алюминий и углерод,a) mixing and homogenizing powders containing at least titanium, aluminum and carbon,
б) реакционное спекание порошков,b) reaction sintering of powders,
в) измельчение продукта реакционного спекания порошков до состояния порошка, при этом этапы а) - в) применяются до этапа искрового плазменного спекания продукта измельчения.c) grinding the product of reaction sintering of powders to the state of a powder, while steps a) - c) are applied before the stage of spark plasma sintering of the grinding product.
Краткое описание чертежейBrief description of the drawings
Другие признаки и преимуществ изобретения приведены в нижеследующем описании, являющемся чисто иллюстративным и неограничивающим и поясняемым приложенными фигурами, на которых:Other features and advantages of the invention are set forth in the following description, which is purely illustrative and non-limiting and is explained by the attached figures, in which:
на фиг. 1 схематично показана деталь турбины, например, лопатка турбины или лопатка соплового аппарата, вид в сечении;in fig. 1 schematically shows a detail of a turbine, such as a turbine blade or a nozzle blade, in cross section;
на фиг. 2 показана фотография микроструктуры подложки детали турбины, полученная сканирующим электронным микроскопом;in fig. 2 shows a photograph of the microstructure of the substrate of a turbine part obtained by a scanning electron microscope;
на фиг. 3 проиллюстрирован прирост массы различных подложек, подвергнутых изотермическому окислению;in fig. 3 illustrates the weight gain of various substrates subjected to isothermal oxidation;
на фиг. 4 показана элементарная ячейка МАХ-фазы типа 312;in fig. 4 shows the unit cell of the MAX-phase type 312;
на фиг. 5 представлена диаграмма влияния критерия диспропорции объема элементарной ячейки и относительной плотности подложки на изменения скорости установившейся ползучести подложки;in fig. 5 shows a diagram of the influence of the disproportion criterion of the volume of the unit cell and the relative density of the substrate on changes in the rate of steady-state creep of the substrate;
на фиг. 6 показан график ползучести по Ларсон-Миллеру, представленный для подложек разных типов;in fig. 6 shows a Larson-Miller creep plot plotted for different types of substrates;
на фиг. 7 показано изменение величины прироста массы в нескольких подложках, характеризующихся разными критериями диспропорции объема элементарной ячейки при обработке на окисление;in fig. 7 shows the change in the magnitude of the weight gain in several substrates characterized by different criteria for the disproportion of the volume of the unit cell during oxidation treatment;
на фиг. 8 показано влияние массовой доли карбида титана на прирост массы подложек, обработанных на окисление;in fig. 8 shows the influence of the mass fraction of titanium carbide on the weight gain of the substrates treated for oxidation;
на фиг. 9 представлен способ изготовления детали.in fig. 9 shows how the part is made.
Определение понятийDefinition of concepts
Термином «длина L зерна» обозначается максимальный размер зерна по прямой, проходящей через центр массы данного зерна.The term "grain length L" refers to the maximum grain size along a straight line passing through the center of mass of a given grain.
Термином «ширина 1 зерна» обозначается минимальный размер зерна по прямой, проходящей через центр массы данного зерна.The term "
«Плотность» означает отношение массы данного объема подложки к массе того же объема воды при 4°С и атмосферном давлении."Density" means the ratio of the mass of a given volume of substrate to the mass of the same volume of water at 4° C. and atmospheric pressure.
«Относительная плотность» означает отношение плотности подложки к расчетной плотности этой же подложки."Relative density" means the ratio of the density of a substrate to the calculated density of the same substrate.
«Параметр Ларсона-Миллера» означает параметр Р, заданный формулой (1):"Larson-Miller parameter" means the parameter P given by formula (1):
где: Т означает температуру подложки по Кельвину, tr - время до разрушения подложки при специфическом напряжении и к - константа.where: T is the Kelvin temperature of the substrate, t r is the time to failure of the substrate at a specific stress, and k is a constant.
«Стехиометрическое соединение» или «стехиометрический материал» означают материал из множества элементов, при этом атомная доля каждого элемента выражается целым числом."Stoichiometric compound" or "stoichiometric material" means a material of multiple elements, with the atomic fraction of each element expressed as an integer.
Осуществление изобретенияImplementation of the invention
Согласно фиг. 1 деталь 1 турбины, такая, как лопатка 4, содержит поликристаллическую подложку 2. Эта подложка содержит по меньшей мере одну фазу Ti3AlC2. Изображенные на фиг. 1 элементы могут быть самостоятельно представлены элементами лопатки 4 турбины, лопатки соплового аппарата или любого другого элемента, части или детали турбины.According to FIG. 1
Как показано на фиг. 2, поликристаллическая подложка 2 содержит зерна 3. Зерна 3 подложки характеризуются некоторыми морфологическими параметрами. В фазе Ti3AlC2 подложки 2 длина L зерна 3 составляет в среднем менее 50 мкм. Кроме того, средний коэффициент формы зерна 3, т.е. среднее отношение между шириной зерна 3 и его длиной l/L составляет от 0,3 до 0,7, предпочтительно от 0,4 до 0,6, более предпочтительно от 0,45 до 0,55. Следовательно микроструктурные параметры, относящиеся к средней длине зерен 3 и среднему коэффициенту формы, позволяют увеличить стойкость подложки 2 к окислению во время работы турбины, а также увеличить сопротивление ползучести. Действительно малый размер зерен обеспечивает увеличение отнесенной к единице поверхности доли границ зерен, выходящих на поверхность подложки. Однако границы зерен создают быструю и предпочтительную диффузию элементов сплава, например, алюминия, что ведет к образованию оксидного слоя. Алюминий может большей частью диффундировать, образуя оксид алюминия на поверхности. Сформированный таким образом слой оксида алюминия является очень стойким и защитным при высокой температуре, что позволяет ограничить или воспрепятствовать росту массы подложки 2.As shown in FIG. 2, the
Средний коэффициент формы зерен в комбинации с размером зерна позволяет также повысить сопротивление ползучести при исключении скольжения по границам зерен. Масштабная полоса внизу справа на фотографии соответствует длине 10 мкм.The average grain shape factor in combination with the grain size also makes it possible to increase creep resistance while avoiding grain boundary slip. The scale bar at the bottom right of the photograph corresponds to a length of 10 µm.
На фиг. 3 показан прирост массы разных подложек после обработки, включающей изотермическое окисление. Было окислено два типа подложек: первый тип подложки 2 согласно изобретению, соответствующий черным полосам на фиг. 3, в котором средняя длина зерен 3 в фазе Ti3AlC2 по существу равна 10 мкм, и второй тип подложки, не соответствующий изобретению, имеющий вид серых полос на фиг. 3, в котором средняя длина зерен в фазе Ti3AlC2 по существу равна 60 мкм. Прирост массы замеряли после изотермического окисления. Изотермическое окисление проводили при разных температурах (800°С, 900°С и 1000°С) в воздушной среде в течение 30 часов. Для всех температур окисления, подложки 2, в которых средняя длина зерен 3 была равна по существу 10 мкм, характеризовались приростом массы намного меньшим, чем порядок величин прироста массы подложек, в которых средняя длина зерен по существу равна 60 мкм. Таким образом, подложка 2, в которой средняя длина зерен 3 меньше 50 мкм, обладает повышенной стойкостью к окислению.In FIG. 3 shows the weight gain of various substrates after a treatment involving isothermal oxidation. Two types of substrates were oxidized: the first type of
На фиг. 4 показана элементарная ячейка МАХ-фазы типа 312. В целом МАХ-фаза (содержащая элементы М, А и X) имеет гексагональную структуру. Гексагональная элементарная ячейка МАХ-фазы образована восьмигранниками М6Х, собранными слои, между которыми располагаются слои из элементов А. Расчетный объем элементарной ячейки Ti3AlC2 известен и равен: V0=153,45 Å3. Согласно аспекту изобретения средний объем элементарных ячеек фазы Ti3AlC2 отличается от расчетного объема. Посредством критерия диспропорции объема элементарной ячейки определяют данный параметр δ с помощью формулы (2):In FIG. 4 shows the unit cell of the 312 type MAX phase. In general, the MAX phase (containing the elements M, A, and X) has a hexagonal structure. The hexagonal unit cell of the MAX-phase is formed by M 6 X octahedrons, assembled layers, between which there are layers of A elements. The calculated volume of the Ti 3 AlC 2 unit cell is known and is equal to: V 0 =153.45 Å 3 . According to an aspect of the invention, the average unit cell volume of the Ti 3 AlC 2 phase differs from the calculated volume. By means of the disproportion criterion of the unit cell volume, this parameter δ is determined using formula (2):
где: Vmes равно среднему объему элементарной ячейки, замеренному для фазы Ti3AlC2 подложки 2. Этот объем можно рассчитать после определения параметров элементарной ячейки методом Ритвельда установления структуры на основе дифрактограмм, полученных дифракцией рентгеновских лучей (X-Ray Diffraction (XRD), например, при измерении в угловом диапазоне от 7 до 140°. Изменение параметра δ вызвано в принципе возможными загрязнениями химическими элементами во время изготовления подложки 2. Также этот параметр δ может изменяться в зависимости от параметров изготовления подложки 2, таких, как давление, температура и/или длительность обработки подложки 2 в процессе изготовления.where: V mes is equal to the average unit cell volume measured for the Ti 3 AlC 2 phase of
На фиг. 5 изображена диаграмма влияния параметра δ и относительной плотности подложки на изменения скорости установившейся ползучести подложки 2. Скорость установившейся ползучести замерялась на подложках 2, обработанных при температуре 900°С и подверженных напряжению растяжения, равному 140 МПа. Подложки 2, применявшиеся при изображенных на фиг. 5 измерениях, имели объемную долю фазы Ti3AlC2 свыше 98% и обладали разной относительной плотностью. При относительной плотности 97% (соответствует колонке в центре и колонке справа на фиг. 5) скорость установившейся ползучести приведена для двух параметров δ (δ=0,98% и δ=0,17%). Подложка характеризовалась скоростью установившейся ползучести более высокой при δ=0,17% и более низкой при δ=0,98%. В целом подложка имела более высокую скорость установившейся ползучести при δ<0,7%. Таким образом подложка 2 с параметром δ>0,7% имела большее сопротивление ползучести. Параметр δ указывает на расхождение между фактическим или замеренным объемом элементарной ячейки МАХ-фазы и расчетным или эталонным объемом элементарной ячейки. Следовательно, в том случае, когда δ возрастает, объем элементарной ячейки МАХ-фазы уменьшается, что свидетельствует о сближении разных слоев элементов А и восьмигранников М6Х. Отношение между параметром δ и сопротивлением ползучести подложки 2 оказалось неожиданным. Может быть возможно объяснить это явление замедлением миграции дислокаций, что тогда позволяет повысить сопротивление ползучести этого материала. Предпочтительно параметр дельта составляет от 0,7 до 2%, более предпочтительно от 0,92 до 1%). Если считать, что V0=153,45 Å3 в фазе Ti3AlC2, то средний объем элементарной ячейки фазы Ti3AlC2 подложки 2 составит менее 152,4 Å3. Предпочтительно средний объем элементарной ячейки Ti3AlC2 составляет от 150,38 до 152,37 Å3, более предпочтительно от 151,91 до 152,03 Å3. Явления, связанные с объемом элементарной ячейки и описанные выше, предпочтительно отслежены в том случае, когда средняя длина зерен составляла менее 50 мкм, а среднее отношение между шириной и длиной зерен составляло от 0,4 до 06.In FIG. 5 shows a diagram of the influence of the parameter δ and the relative density of the substrate on changes in the steady-state creep rate of the
При параметре δ, равном 0,98% (что соответствует колонке слева и колонке в центре на фиг. 5), скорость установившейся ползучести приведена для двух разных показателей относительной плотности ρ (ρ=92%, что соответствует левой колонке, ρ=97%, что соответствует колонке в центре). Таким образом относительная плотность ρ подложки 2, составившая более 96%, позволяет ограничить скорость ползучести по отношению к относительной плотности подложки 2, составившей менее 96%. Действительно объем нагружаемого при ползучести материала уменьшается с уменьшением плотности. При воздействующем снаружи напряжении усилия - в масштабе микроструктуры - возрастают в том случае, когда снижается относительная плотность. Следовательно, срок службы при ползучести снижается в том случае, когда уменьшается плотность.With δ equal to 0.98% (corresponding to the column on the left and the column in the center in Fig. 5), the steady-state creep rate is given for two different values of relative density ρ (ρ=92%, which corresponds to the left column, ρ=97% , which corresponds to the column in the center). Thus, the relative density ρ of the
На фиг. 6 показана ползучесть в изображении по Ларсон-Миллеру для разных типов подложек. Специфичное напряжение показано в зависимости от параметра Ларсона-Миллера. Кривая (а) соответствует известной поликристаллической подложке из суперсплава на основе никеля. Кривая (b) соответствует подложке с содержанием фазы Ti3AlC2, при этом критерий δ диспропорции элементарной ячейки равен 0,17%. Кривая (с) соответствует подложке 2 согласно изобретению, при этом она содержит фазу Ti3AlC2 и критерий δ диспропорции элементарной ячейки, равный 0,98%. Признак подложки 2, соответствующий кривой (с), характеризуется специфичным напряжением, аналогичным специфичному напряжению подложки на основе никеля; зато признак подложки, соответствующий кривой (b), характеризуется, при заданном значении параметра Ларсона-Миллера, специфичным напряжением более низкой величины, чем специфичное напряжение подложки 2, соответствующее кривой (с). Таким образом использованная в детали 1 подложка 2 обладает более высокой механической прочностью, чем известная подложка с фазой Ti3AlC2.In FIG. 6 shows creep in Larson-Miller imaging for different types of substrates. The specific voltage is shown as a function of the Larson-Miller parameter. Curve (a) corresponds to a known nickel-based polycrystalline superalloy substrate. Curve (b) corresponds to the substrate containing the phase Ti 3 AlC 2 , while the criterion δ disproportion of the unit cell is equal to 0.17%. Curve (c) corresponds to the
На фиг. 7 показано изменение прироста массы нескольких подложек с разными параметрами δ во время обработки на окисление. Окисление вызывалось цикличной термической обработкой каждой подложки при температуре от 100 до 1000°С при выдержке при температуре 1000°С в течении 1 часа на протяжении 240 циклов. Прирост массы на единицу поверхности в количестве от 90 до 140 мг/см2 измерялся на подложках с параметром δ менее 0,7%. Зато подложки 2 с параметром δ свыше 0,7% характеризовались по существу нулевым приростом массы. Таким образом подложки 2 согласно изобретению обладали стойкостью к окислению в температурных условиях работы турбины, которая была выше, чем у известных подложек.In FIG. 7 shows the change in weight gain of several substrates with different δ parameters during oxidation treatment. Oxidation was caused by cyclic thermal treatment of each substrate at a temperature from 100 to 1000°C while holding at a temperature of 1000°C for 1 hour for 240 cycles. Weight gain per unit surface in an amount of 90 to 140 mg/cm 2 was measured on substrates with a δ parameter of less than 0.7%. On the other hand,
На фиг. 8 показано влияние массовой доли карбида титана на прирост массы подложек после обработки на окисление. Окисление подложек проводилось при контроле за сотней термических циклов в воздушной среде. Каждый цикл соответствовал термической обработке подложки в интервале от 100 до 1000°С при росте температуры 5°С/мин. с последующей обработкой подложки при температуре 1000°С в течение 1 часа при последующем охлаждение от 1000 до 100°С.In FIG. 8 shows the effect of the mass fraction of titanium carbide on the weight gain of the substrates after oxidation treatment. The substrates were oxidized under the control of hundreds of thermal cycles in air. Each cycle corresponded to the heat treatment of the substrate in the range from 100 to 1000°C with a temperature increase of 5°C/min. followed by treatment of the substrate at a temperature of 1000°C for 1 hour, followed by cooling from 1000 to 100°C.
Термической обработке были подвержены три подложки. Каждая из них имела разную массовую долю карбида титана (TiC): 1,1% (показано колонкой слева на фиг. 8), 0,4% (показано колонкой в середине фиг. 8) и 0% (показано колонкой справа на фиг. 8). Таким образом окисление подложки можно существенно уменьшить снижением массовой доли TiC в подложке. Предпочтительно подложка 2 согласно аспекту изобретения содержит массовую долю TiC в количестве менее 0,8% с тем, чтобы снижалось окисление, вызываемое температурами, при которых работает турбина.Three substrates were subjected to heat treatment. Each of them had a different mass fraction of titanium carbide (TiC): 1.1% (shown in the column on the left in Fig. 8), 0.4% (shown in the column in the middle of Fig. 8) and 0% (shown in the column on the right in Fig. eight). Thus, the oxidation of the substrate can be significantly reduced by reducing the mass fraction of TiC in the substrate. Preferably, the
Как показано на фиг. 9, способ изготовления детали 1 может включать в себя следующие этапы.As shown in FIG. 9, the manufacturing method of
На этапе 101 способа изготовления детали 1 смешивают подлежащие уплотнению порошки, содержащие титан, алюминий и углерод. Порошки TiC>0,95, алюминия и титана могут быть, например, смешаны в следующей атомной долевой концентрации: 1,9 ат. %, 1,05 ат. % и 1 ат. %. Например, можно гомогенизировать порошки с использованием смесителя типа Turbula (зарегистрированная торговая марка) или любой тип трехмерного смесителя. Предпочтительно атомная доля смешанного алюминиевого порошка строго превышает 1 и составляет предпочтительно от 1,03 до 1,08. В действительности испарение алюминия при последующем реакционном спекании снижает атомную долю алюминия в полученной в конце процесса детали. Следовательно атомная доля алюминия в количестве от 1,03 до 1,08 на этапе 101 позволяет получить стехиометрическое соединение. Таким образом согласно аспекту изобретения подложка содержит фазы с присутствием в них железа и/или вольфрама, при этом сумма средней объемной доли железа и вольфрама в указанных фазах составляет менее 2%.In step 101 of the method for manufacturing the
На этапе 102 способа проводится реакционное спекание смешанных на этапе 101 порошков. Реакционное спекание может происходить в защитной атмосфере в течение 2 часов при 1450°С.In
На этапе 103 способа полученные на этапе 102 изделия приводятся в порошковое состояние, например, измельчением.In
На этапе 104 способа применяется искровое плазменное спекание (или спекание SPS: английское сокращение от Spark Plasma Sintering). Искровое плазменное спекание проводится, например, при температуре 1360°С в течение двух минут при 75 МПа при контроле за охлаждением при скорости -50°С.мин-1. Температура на этапе 104 при спекании SPS составляет предпочтительно менее 1400°С. Действительно, искровое плазменное спекание при температуре ниже 1400°С позволяет избежать разложения фазы Ti3AlC2. Кроме того, искровое плазменное спекание при температуре ниже 1400°С позволяет предупредить взаимодействие и/или загрязнение изделия на этапе 103 материалом, образующим прессформу устройства для искрового плазменного спекания, содержащим, например, графит. Давление на этапе искрового плазменного спекания составляет предпочтительно более 60 МПа. Действительно такое давление, превышающее давление при спекании известными способами, дает возможность изготовить деталь 1 с относительной плотностью фазы Ti3AlC2 свыше 96%, в которой средняя длина зерен 3 составляет менее 50 мкм, а среднее отношение ширины к длине зерен составляет от 0,4 до 0,6. Предпочтительно на этапе искрового плазменного спекания применяется термообработка при максимальной температуре в течение менее десяти минут. Таким образом исключается избыточный рост и ухудшение свойств зерен 3 в подложке 2. Этап 104 содержит подэтап охлаждения, проводимый после выдержки подложки 2 при максимальной температуре. Предпочтительно нормативная скорость охлаждения на этом подэтапе составляет менее 100°С.мин-1. Таким образом исключается накопление остаточных механических напряжений в подложке 2 на подэтапе охлаждения. Остаточные напряжения представляют собой проблему при изготовлении деталей, так как они вызывают растрескивание материала, например, во время механической обработки подложки. Таким образом снижаются риски растрескивания при механической обработке, а также при использовании способа согласно аспекту изобретения.In
Изготовление детали 1 описанным выше способом позволяет получить для подложки свойства стехиометрического материала и избежать или ограничить включение соединений, ухудшающих механическую прочность или характеристику материала вследствие окисления. Таким образом согласно аспекту изобретения, массовая доля оксида алюминия в подложке составляет менее 3%. Согласно другому аспекту изобретения подложка содержит интерметаллические соединения TixAly, при этом объемная доля этих соединения составляет менее 1%.The manufacture of
Claims (22)
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR1758760 | 2017-09-21 | ||
FR1758760A FR3071255B1 (en) | 2017-09-21 | 2017-09-21 | ALLOY TURBINE PIECE COMPRISING A MAX PHASE |
PCT/FR2018/052305 WO2019058065A1 (en) | 2017-09-21 | 2018-09-21 | Alloy turbine component comprising a max phase |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2020112704A RU2020112704A (en) | 2021-10-22 |
RU2020112704A3 RU2020112704A3 (en) | 2022-02-01 |
RU2773969C2 true RU2773969C2 (en) | 2022-06-14 |
Family
ID=
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20050262965A1 (en) * | 2004-05-26 | 2005-12-01 | Honeywell International, Inc. | Ternary carbide and nitride composites having tribological applications and methods of making same |
RU2402633C1 (en) * | 2009-03-31 | 2010-10-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Procedure for application of combined heat resistant coating |
FR3032449B1 (en) * | 2015-02-09 | 2017-01-27 | Office Nat D'etudes Et De Rech Aerospatiales (Onera) | CERMET MATERIALS AND PROCESS FOR PRODUCING SUCH MATERIALS |
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20050262965A1 (en) * | 2004-05-26 | 2005-12-01 | Honeywell International, Inc. | Ternary carbide and nitride composites having tribological applications and methods of making same |
RU2402633C1 (en) * | 2009-03-31 | 2010-10-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Procedure for application of combined heat resistant coating |
FR3032449B1 (en) * | 2015-02-09 | 2017-01-27 | Office Nat D'etudes Et De Rech Aerospatiales (Onera) | CERMET MATERIALS AND PROCESS FOR PRODUCING SUCH MATERIALS |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Kelly et al. | Microstructural evolution in laser-deposited multilayer Ti-6Al-4V builds: Part I. Microstructural characterization | |
RU2228389C2 (en) | Method of thermal protection and metal article with ceramic coat (versions) | |
US8153052B2 (en) | High-temperature composite articles and associated methods of manufacture | |
US10544485B2 (en) | Additive manufacturing of high-temperature components from TiAl | |
Thomas et al. | Processing and characterization of TiAl-based alloys: Towards an industrial scale | |
CN102816965B (en) | Cobalt-nickel-base alloy and the method thus manufacturing article | |
EP2420584B1 (en) | Nickel-based single crystal superalloy and turbine blade incorporating this superalloy | |
RU2544954C2 (en) | Nickel based super alloy, mechanical component made out of specified super alloy, element of turbomachine that contains specified component and appropriate methods | |
Smialek et al. | Interfacial reactions of a MAX phase/superalloy hybrid | |
CN111148587B (en) | Alloy turbine assembly comprising MAX phases | |
EP3263724B1 (en) | Metallurgical process and article with nickel-chromium superalloy | |
RU2773969C2 (en) | Turbine part of alloy with max-phase content | |
EP3031939B1 (en) | Ni-group superalloy strengthened by oxide-particle dispersion | |
Nijdam et al. | Effect of partial oxygen pressure on the initial stages of high-temperature oxidation of γ-NiCrAl alloys | |
Ataş et al. | Structural properties and cyclic oxidation behavior of Ni-Al-Y superalloys | |
Rame et al. | Development of AGAT, a third-generation nickel-based superalloy for single crystal turbine blade applications | |
KR100359187B1 (en) | Intermetallic Nickel-Aluminum Alloy | |
Gang et al. | Influence of vanadium on the oxidation resistance of the intermetallic phase Nb 5 Si 3 | |
Basak et al. | Carbide formation in Nickel-base superalloy MAR-M247 processed through scanning laser epitaxy (SLE) | |
Basak et al. | Microstructural characterization of MAR-M247 fabricated through scanning laser epitaxy | |
Latief et al. | Influence of surface orientation on oxidation resistance of Ni-based single crystal superalloy CM186LC at 1100 C in air | |
Pribytkov et al. | Bulk changes and structure formation in solid-phase sintering of Ti− TiAl 3 powder mixtures | |
WO2023157438A1 (en) | Fe-Ni-Cr BASED ALLOY PRODUCT | |
US9499886B2 (en) | Ni-based single crystal superalloy and turbine blade incorporating the same | |
KR102340057B1 (en) | Ni base single crystal superalloy and Method of manufacturing thereof |