Сплав на основе интерметаллида ni3al и изделие, выполненное из него

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным жаропрочным сплавам на основе интерметаллида Ni₃Al и изделиям, получаемым методом точного литья, таким как рабочие и сопловые лопатки, элементы камер сгорания, створки и другие детали ГТД, используемым в авиационной технике, автомобильной промышленности, судостроении. Предложен сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, содержащий алюминий, хром, молибден, вольфрам, титан, углерод, при этом он дополнительно содержит рений и лантан, при следующем соотношении компонентов, мас.%: Al - 8,5-9,5; Cr - 4,8-5,5; Мо - 2,5-3,5; W - 2,6-3,2; Ti - 1,0-1,6; С - 0,001-0,005; Re - 1,0-3,5; La - 0,0015-0,015; Ni – остальное и изделие, выполненное из него. Использование предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Al повышает надежность изделий и ресурс их работы за счет повышенной кратковременной прочности при комнатной температуре, жаропрочности при температуре 1100°С на базе испытаний 100 ч, жаростойкости при температуре 1250°С и предела выносливости при комнатной температуре. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным жаропрочным сплавам на основе интерметаллида Ni₃Аl и изделиям, получаемым методом точного литья, таким как, например, рабочие и сопловые лопатки, элементы камер сгорания, створки и другие детали ГТД, используемым в авиационной технике, автомобильной промышленности, судостроении.

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

Аl 8,0-9,5

Fe 4,0-6,0

Мо 0,5-1,5

Hf 0,5-1,0

Со 4,0-5,0

В 0,02 - 0,04

С 0,03-0,06

Ni Остальное

Патент США №5108700

Недостатком этого сплава является неудовлетворительная прочность при температурах 1100 и 1200°С и низкая пластичность при комнатной температуре.

Изделия из этого сплава используются, например, для газоперекачивающих установок при температурах эксплуатации до 900°С.

Известен сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, имеющий состав, мас.%:

Аl 8,0-9,0

Cr 5,0-6,8

Мо 3,0-4,3

W 2,7-4,0

Тi 1,3-2,2

С 0,13-0,18

Sn 0,03-0,08

Ni Остальное

Патент РФ №2088686

Недостатком этого сплава является неудовлетворительная жаропрочность в интервале температур 900-1100°С на базах испытания 100 и 500 часов и недостаточно высокая жаростойкость при температуре 1200°С.

Недостатком изделий, например штампов для изотермической штамповки, является недостаточный уровень рабочих температур и малый срок службы.

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

Аl 7,8-9,0

Cr 5,0-6,5

Мо 3,0-4,0

W 2,7-4,0

Ti 0,8-1,2

С 0,001-0,005

Sn 0,03-0,05

Zr 0,05-0,5

Ni Остальное

Патент РФ №2198233

Недостатком этого сплава является неудовлетворительная кратковременная прочность при комнатной температуре, недостаточная жаропрочность при температуре 1100°С на базе испытания 100 часов, недостаточные жаростойкость при температуре 1250°С и предел выносливости при комнатной температуре.

Сплав может быть использован как для несиловых конструкций, например сопловых лопаток, створок регулируемого сопла, так и для силовых рабочих лопаток ГТД. Изделия из этого сплава имеют ограниченный ресурс работы.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание сплава на основе интерметаллида Ni₃Аl и изделия из этого сплава, обладающего повышенными кратковременной прочностью при комнатной температуре, жаропрочностью при температуре 1100°С на базе испытания 100 часов, жаростойкостью при температуре 1250°С и пределом выносливости при комнатной температуре.

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

Аl 8,5-9,5

Cr 4,8-5,5

Мо 2,5-3,5

W 2,6-3,2

Ti 1,0-1,6

С 0,001-0,005

Re 1,0-3,5

La 0,0015-0,015

Ni Остальное

и изделие, выполненное из него.

Предлагаемый сплав найдет применение как для несиловых конструкций: сопловых лопаток, деталей камер сгорания, так и для силовых: рабочих лопаток ГТД.

Авторами было установлено, что при заявленных соотношениях компонентов в предлагаемом сплаве на основе Ni₃А1 введение рения, который повышает температуры солидуса (Т_s) и ликвидуса (Т_L), растворяется в γ-твердом растворе (раствор на основе никеля), упрочняя его, и лантана, образующего интерметаллид Ni₃Аl(Lа), располагающийся по фазовым границам, обеспечивается наибольший эффект повышения кратковременной прочности сплава на основе интерметаллида NiaAl при комнатной температуре, жаропрочности при температуре 1100°С на базе испытания 100 часов и жаростойкости при температуре 1250°С и предела выносливости при комнатной температуре на монокристаллических образцах.

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 ⊘ 60 мм отбирали стружку на химический анализ. Химический состав предлагаемого сплава и сплава прототипа 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 весом по 2 кг для последующего переплава. После переплава получили образцы ⊘ 16 мм и длиной 150 мм.

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 и сплава-прототипа, приведенные в таблице 2, определяли на стандартных образцах при соотношении 1/d=5.

Из таблицы 2 видно, что свойства предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Аl выше, чем свойства известного сплава-прототипа:

кратковременная прочность при комнатной температуре (σ²⁰_в) - на 15,7-19,8%, жаропрочность при температуре 1100°С на базе испытания 100 часов (σ¹¹⁰⁰₁₀₀) - на 23,8-33,3%, жаростойкость при температуре 1250°С (по привесу при окислении за 100 часов) - на 16-28%, предел выносливости при комнатной температуре (σ²⁰_-1) на базе 2×10⁷- на 54,2-58,3%.

Использование предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Аl повышает надежность изделий, например рабочих и сопловых лопаток, элементов камер сгорания, створок регулируемого сопла и других деталей ГТД, используемых в авиационной технике, а также в транспортном машиностроении, и увеличивает ресурс их работы.

Формула изобретения

1. Сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, содержащий алюминий, хром, молибден, вольфрам, титан, углерод, отличающийся тем, что он дополнительно содержит рений и лантан при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Аl 8,5-9,5

Cr 4,8-5,5

Мо 2,5-3,5

W 2,6-3,2

Ti 1,0 -1,6

С 0,001-0,005

Re 1,0-3,5

La 0,0015-0,015

Ni Остальное

2. Изделие из сплава на основе интерметаллида Ni₃Аl, отличающееся тем, что выполнено из сплава по п.1.