Сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным никелевым жаропрочным сплавам и изделиям с монокристаллической структурой, получаемым методом точного литья, для которых основными требованиями являются высокая прочность при комнатной температуре и жаропрочность в интервале температур 1100-1250^oС. Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение жаропрочности в интервале температур 1100-1250^oС, кратковременной прочности при комнатной температуре. Предлагается сплав на основе никеля, содержащий алюминий, хром, молибден, вольфрам, титан, кобальт, углерод, лантан, церий и дополнительно рений при следующем соотношении компонентов, мас. %: алюминий 8,5-9,2; хром 5,0-6,0; молибден 3,0-4,0, вольфрам 4,5-5,5; титан 0,5-1,0; кобальт 2,0-3,0; углерод 0,003-0,005; лантан 0,02-0,025; церий 0,003-0,025; рений 1,0-2,0; никель остальное и изделие, выполненное из него. Использование предлагаемого сплава на основе никеля повышает надежность деталей и увеличивает их ресурс. 2 с.п.ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным жаропрочным никелевым сплавам и изделиям с монокристаллической структурой, получаемым методом точного литья, для которых основными требованиями являются высокая прочность при комнатной температуре и жаропрочность в интервале температур 1100-1250^oС при работе в окислительных средах.

Известен сплав на основе никеля, имеющий состав мас. %: Аl - 8,0-9,0 Сr - 5,0-6,0 Мо - 2,5-4,5 W - 2,0-4,0 Ti - 1,2-2,0 Hf - 0,4-0,6 Fe - 0,5-1,5 Si - 0,4-1,2 С - 0,007-0,04
Ni - Остальное [1]
Недостатком этого сплава являются неудовлетворительная кратковременная и длительная прочности в интервале температур 900-1100^oС. Изделия из этого сплава используются для сопловых лопаток малоразмерных авиационных ГТД при температурах эксплуатации 1100-1150^oС.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является сплав на основе никеля, имеющий состав, мас.%:
Аl - 9,2-9,8
Cr - 5,5-6,5
Мо - 2,0-3,0
W - 3,0-4,0
Ti - 1,3-2,0
Со - 2,0-3,0
С - 0,001-0,02
La - 0,0015-0,015
Се - 0,003-0,025
Ni - Остальное [2]
Недостатком этого сплава является неудовлетворительная жаропрочность в интервале температур 1100-1250^oС на базах испытания 100 и 500 часов и недостаточно высокая кратковременная прочность при комнатной температуре.

Изделия: створки регулируемого сопла авиационных двигателей, элементы жаровых труб и другие высокотемпературные детали газовых турбин, выполненные из этого сплава, имеют неудовлетворительный ресурс работы.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение жаропрочности в интервале температур 1100-1250^oС, кратковременной прочности при комнатной температуре.

Для достижения технического результата предлагается сплав на основе никеля, содержащий алюминий, хром, молибден, вольфрам, титан, кобальт, углерод, лантан, церий, который дополнительно содержит рений, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
алюминий - 8,5-9,2
хром - 5,0-6,0
молибден - 3,0-4,0
вольфрам - 4,5-5,5
титан - 0,5-1,0
кобальт - 2,0-3,0
углерод - 0,003-0,005
лантан - 0,02-0,025
церий - 0,003-0,025
рений - 1,0-2,0
никель - остальное
и изделие, выполненное из него.

Из предлагаемого сплава могут изготавливаться изделия с повышенным ресурсом, например такие, как створки регулируемого сопла авиационных двигателей, элементы жаровых труб и другие высокотемпературные детали газовых турбин, в том числе работающих в окислительных средах.

Авторами было установлено, что при увеличении содержания молибдена и вольфрама с одновременным введением рения для упрочнения твердого раствора на основе γ-фазы и снижения скорости диффузии при высоких температурах образуется микроструктура, содержащая оптимальное соотношение γ-твердого раствора и Ni₃Аl-фазы. Помимо упрочнения твердого раствора и снижения коэффициента диффузии, рений уменьшает скорость коагуляции первичной γʹ-фазы на длительных базах испытания. Все вышеперечисленные факторы создают наибольший эффект повышения жаропрочности сплава в интервале температур 1100-1250^oС и кратковременной прочности при комнатной температуре при указанном соотношении компонентов. Изделия с монокристальной структурой, выполненные из этого сплава, имеют повышенный срок эксплуатации.

Пример осуществления
Шихтовую заготовку из предлагаемого сплава различных составов и сплава-прототипа выплавляли из чистых шихтовых материалов в вакуумной индукционной печи по стандартной технологии. 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.

Образцы получали методом направленной кристаллизации в вакууме 1,5-2,5*10^-3 мм рт.ст.

Для повышения стабильности свойств при высоких температурах механически обработанные образцы и детали термообрабатывали на воздухе при 1150^oС в течение 1 часа, охлаждение на воздухе.

Свойства предлагаемого сплава с различным соотношением компонентов и сплава-прототипа приведены в таблице 2.

Из таблицы 2 видно, что свойства предлагаемого сплава на основе никеля выше, чем свойства известного. Кратковременная прочность при комнатной температуре (σ²⁰_в) у предлагаемого сплава повышается на 45-50%; жаропрочность по определяемому пределу длительной прочности при температуре 1100^oС на базах 100 (σ¹¹⁰⁰₁₀₀) и 500(σ¹¹⁰⁰₅₀₀) часов - на 15-28%, а в диапазоне температур 1200-1250^oС на базах 100 100(σ¹²⁰⁰₁₀₀ и σ¹²⁵⁰₁₀₀) и 500 (σ¹²⁰⁰₅₀₀ и σ¹²⁵⁰₅₀₀) часов - на 12-25%.

Использование предлагаемого сплава на основе никеля повышает надежность деталей с монокристаллической структурой и увеличивает их ресурс.

Литература
1. РФ, патент 1607422.

2. РФ, патент 2165472.

Формула изобретения

1. Сплав на основе никеля, содержащий алюминий, хром, молибден вольфрам, титан, кобальт, углерод, лантан, церий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит рений, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Алюминий - 8,5-9,2
Хром - 5,0-6,0
Молибден - 3,0-4,0
Вольфрам - 4,5-5,5
Титан - 0,5-1,0
Кобальт - 2,0-3,0
Углерод - 0,003-0,005
Лантан - 0,02-0,025
Церий - 0,003-0,025
Рений - 1,0-2,0
Никель - Остальное
2. Изделие, выполненное из сплава на основе никеля, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава следующего химического состава, мас. %:
Алюминий - 8,5-9,2
Хром - 5,0-6,0
Молибден - 3,0-4,0
Вольфрам - 4,5-5,5
Титан - 0,5-1,0
Кобальт - 2,0-3,0
Углерод - 0,003-0,005
Лантан - 0,02-0,025
Церий - 0,003-0,025
Рений - 1,0-2,0
Никель - Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1