Сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным жаропрочным сплавам и изделиям, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям. Сплав предназначен для литых деталей камер сгорания топлива ГТД, высокотемпературного крепежа в авиационных двигателях и для резьбовых захватов высокотемпературных машин для испытания на длительную прочность и ползучесть в условиях статических нагрузок. Технической задачей предлагаемого изобретения является создание сплава и изделия из него, обладающих повышенной жаростойкостью при температурах 1100 и 1250^oС, кратковременной прочностью в этом интервале температур и повышенным сопротивлением деформации на сжатие (при осадке). Предлагается сплав на основе никеля, содержащий алюминий, хром, молибден, вольфрам, титан, углерод, который дополнительно содержит цирконий и иттрий при следующем соотношении компонентов, мас.%: алюминий 8,0-9,0; хром 5,0-6,0; молибден 2,5-3,5; вольфрам 4,5-5,5; титан 1,2-2,0; углерод 0,12-0,15; цирконий 0,005-0,04; иттрий 0,3-0,4; никель - остальное, и изделие, выполненное из него. Использование предлагаемого сплава на основе никеля увеличивает ресурс работы изделий авиационной техники в 10-12 раз и повышает точность определения измерений при использовании этого сплава в виде резьбовых захватов высокотемпературных машин для испытания на длительную прочность и ползучесть в условиях статистических нагрузок. 2 с.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии, а именно, к литейным жаропрочным сплавам и изделиям, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям. Сплав предназначен для литых деталей камер сгорания топлива ГТД, высокотемпературного крепежа в авиационных двигателях, для резьбовых захватов высокотемпературных машин для испытания на длительную прочность и ползучесть в условиях статических нагрузок.

Известен сплав [1] на основе никеля, химического состава, мас.%: Аl - 2,75-5,25 Cr - 8-10 W - 9-11 Ti - 1,7-2,6 Та - 2,25-3,2 Со - 3-7 С - 0,015-0,05 В - 0-0,01 Zr - 0-0,05
Hf - 0-0,5
Ni - Остальное
Недостатком этого сплава являются высокая плотность, низкая жаростойкость при высоких температурах и неудовлетворительная термоусталость.

Изделия из этого сплава, например, рабочие лопатки турбин, имеют низкую коррозионную стойкость.

Известен сплав [2] на основе никеля, химического состава мас.%:
Аl - 3,5-4,2
Cr - 9-11
W - 3,8-5,5
Мо - 3,1-4,1
Ti - 3,2-4,0
Со - 14-16
Nb - 1,6-2,1
С - 0,03-0,10
В - 0,005-0,05
Zr - 0,005-0,05
Hf - 0,2-0,8
Mg - 0,001-0,05
Ni - Остальное
при отношении содержания вольфрама к содержанию молибдена 1,0-1,6.

Недостатком этого сплава являются ограниченные (1000^oС) рабочие температуры.

Изделия из этого сплава, детали ГТД, имеют неудовлетворительную надежность и ресурс работы.

Известен также жаропрочный никелевый сплав [3] химического состава, мас. %:
Аl - 4,0-6,0
Сr - 7,0-14,0
Мо - 0,7-3,0
W - 9,0-12,0
Ti - 1,0-4,0
Со - 8,0-15,0
С - 0,05-0,2
В - 0,005-0,07
Се - 0,002-0,025
Zr - 0,01-0,10
Nb - 0,5-4,0
Один из элементов группы, включающий Y и Sc, - 0,0013-0,0085
Ni - Остальное,
при условии % Се: % одного элемента из группы, включающей иттрий и скандий = 1,5-3,0.

Недостатком этого сплава является неудовлетворительная кратковременная и длительная прочности в интервале температур 900-1050^oС, недостаточно высокие рабочие температуры и низкая жаростойкость.

Изделия из этого сплава используются для сопловых лопаток авиационных ГТД и для резьбовых захватов высокотемпературных машин для испытания на длительную прочность и ползучесть в условиях статических нагрузок. При этом изделия имеют ограниченный ресурс работы и неудовлетворительный интервал рабочих температур.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является сплав [4] на основе никеля, имеющий химический 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
С - 0,007-0,04
Hf - 0,4-0,6
Fe - 0,5-1,5
Si - 0,4-1,2
Ni - Остальное
Недостатком этого сплава является, недостаточная жаростойкость при температурах 1100 и 1250^oС, неудовлетворительная кратковременная прочность в этом интервале температур и недостаточно высокое сопротивление деформации на сжатие (при осадке) при высоких температурах и нагрузках.

Изделия, выполненные из этого сплава, имеют неудовлетворительный ресурс работы.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание сплава и изделия из него, обладающих повышенной жаростойкостью при температурах 1100 и 1250^oС, кратковременной прочностью в этом интервале температур и повышенным сопротивлением деформации на сжатие (при осадке).

Для достижения поставленной технической задачи предлагается сплав на основе никеля, содержащий алюминий, хром, молибден, вольфрам, титан, углерод, который дополнительно содержит цирконий и иттрий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Аl - 8,0-9,0
Cr - 5,0-6,0
Мо - 2,5-3,5
W - 4,5-5,5
Ti - 1,2-2,0
С - 0,12-0,15
Zr - 0,005-0,04
Y - 0,3-0,4
Ni - Остальное
и изделие, выполненное из него.

Авторами было установлено, что при заявленных соотношениях компонентов в предлагаемом сплаве на основе никеля и дополнительном введении циркония и иттрия наблюдаются выделения в объеме зерен упрочняющей γ-фазы, снижающей скорость диффузии при высоких температурах, и создается на границах зерен тормозящий эффект за счет карбидов и интерметаллидной фазы Ni₃Al(Y) и улучшающей адгезию оксидной пленки. Все это приводит к повышению жаростойкости сплава при температурах 1100 и 1250^oС, кратковременной прочности сплава в этом интервале температур и достижению наибольшего эффекта повышения сопротивления деформации на сжатие (при осадке) при высоких температурах.

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.

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 6 кг для последующего переплава.

Образцы ⊘ 16 мм и длиной 75 мм получали методом равноосной кристаллизации.

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 никеля выше, чем свойства сплава-прототипа. Кратковременная прочность при температуре 1100^oС (σ¹¹⁰⁰_в) у предлагаемого сплава повышается на 12-18% при температуре 1250^oС (σ¹²⁵⁰_в) - на 35-50%; привес за 100 часов снижается на 45-50%, т. е. жаростойкость при температуре 1100^oС повышается на 45-50%, и на 70-75% - при температуре 1250^oС; сопротивление деформации на сжатие (степень деформации, ε, %, при осадке) в диапазоне температур 1100-1200^oС повышается в 8-10 раз.

Использование предлагаемого сплава на основе никеля увеличивает ресурс работы изделий авиационной техники, например, таких как литые детали камер сгорания газотурбинных двигателей и дожигания топлива и высокотемпературный крепеж в авиационных двигателях, в 10-12 раз и повышает точность определения измерений при использовании этого сплава в виде резьбовых захватов высокотемпературных машин для испытания на длительную прочность и ползучесть в условиях статических нагрузок.

Источники информации
1. Патент США 4459160.

2. Патент РФ 2009244.

3. Патент РФ 2070597.

4. Патент РФ 1607422.

Формула изобретения

1. Сплав на основе никеля, содержащий алюминий, хром, молибден, вольфрам, титан, углерод, отличающийся тем, что он дополнительно содержит цирконий и иттрий, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Алюминий - 8,0 - 9,0
Хром - 5,0 - 6,0
Молибден - 2,5 - 3,5
Вольфрам - 4,5 - 5,5
Титан - 1,2 - 2,0
Углерод - 0,12 - 0,15
Цирконий - 0,005 - 0,04
Иттрий - 0,3 - 0,4
Никель - Остальное
2. Изделие из сплава на основе никеля, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п.1.

РИСУНКИ

Рисунок 1