Жаростойкий сплав на основе интерметаллида ni3al и изделие, выполненное из него

Авторы патента:

Базылева О.А. (RU)

Бондаренко Ю.А. (RU)

Каблов Е.Н. (RU)

Сурова В.А. (RU)

Сомова Л.А. (RU)

C22C19/03 - никеля

Владельцы патента RU 2256714:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU)

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным жаростойким сплавам на основе интерметаллида Ni₃Al и изделиям, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям с монокристаллической структурой, таким как, например, рабочие и сопловые лопатки, проставки соплового аппарата и другие детали газотурбинных двигателей авиационной промышленности. Предложены сплав на основе Ni₃Al и изделие, выполненное из него. Сплав содержит алюминий, хром, вольфрам, молибден, титан, цирконий, углерод, при этом он дополнительно содержит тантал и лантан, при следующем соотношении компонентов, мас.%: Al 9,2-9,6, Cr 4,2-4,8, W 2,7-3,2, Мо 2,8-3,2, Ti 1,0-1,4, С 0,001-0,02, Zr 0,05-0,5, Та 0,1-0,5, La 0,0015-0,015, Ni - остальное. Технический результат - разработка сплава и изделия, выполненного из него, обладающих повышенной кратковременной прочностью при температурах 1150-1200°С и жаропрочностью при 1200-1250°С с рабочей температурой до 1300°С. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.

Известен сплав на основе интерметаллида Ni₃Аl следующего химического состава, мас. %:

Аl 10-12

Fe 14,5-17,5

Mo 2,7-4,0

Hf 0,9-1,7

С 0,01-0,06

Се 0,005

Ni остальное

Патент РФ №2603902.

Недостатком этого сплава является невысокая рабочая температура (≤900°С) и склонность к трещинообразованию при увеличении количества теплосмен ≤ 100 циклов.

Изделия из этого сплава используются, например, для проставок соплового аппарата ГТД с ограниченным ресурсом работы при температурах эксплуатации до 900°С.

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

Аl 9,2-9,8

Cr 5,5-6,5

W 3,0-4,0

Mo 2,0-3,0

Ti 1,3-2,0

Co 2,0-3,0

С 0,001-0,02

La 0,0015-0,015

Се 0,003-0,025

Ni остальное

и изделие, выполненное из него.

Патент РФ №2165472.

Недостатком этого сплава является низкая прочность и недостаточная жаропрочность в интервале температур 850-1000°С.

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

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

Аl 8,0-9,5

Mo 0,5-1,5

Co 4,0-5,0

Fe 4,0-6,0

Hf 0,5-1,0

В 0,02-0,04

С 0,03-0,06

Ni остальное

Патент РФ №2034085.

Недостатком этого сплава является низкая прочность и низкая жаропрочность в интервале температур 800-1200°С.

Изделия из этого сплава, например детали камер сгорания, имеют ограниченный ресурс работы, а также ограниченную номенклатуру изготавливаемых деталей.

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

Аl 7,8-9,0

Cr 5,0-6,5

W 2,7-4,0

Mo 3,0-4,0

Ti 0,8-1,2

С 0,001-0,005

Sn 0,03-0,05

Zr 0,05-0,5

Ni остальное

и изделие, выполненное из него.

Патент РФ №2198233.

Недостатком этого сплава является пониженная кратковременная прочность при температурах 1150-1200°С, недостаточная жаропрочность в интервале температур 1000-1200°С и жаростойкость при температуре 1200-1250°С; сплав-прототип не может работать при температуре до 1300°С.

Изделия из этого сплава, например сопловые лопатки, блоки сопловых лопаток ГТД, имеют низкий выход годного и недостаточную долговечность.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка жаростойкого сплава и изделий, выполненных из него, обладающих повышенными кратковременной прочностью при температурах 1150-1200°С и жаропрочностью при температурах 1000-1200°С, высокой жаростойкостью при температурах 1200-1250°С с рабочей температурой до 1300°С.

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

Аl 9,2-9,6

Cr 4,2-4,8

W 2,7-3,2

Mo 2,8-3,2

Ti 1,0-1,4

Zr 0,05-0,5

С 0,001-0,02

Та 0,1-0,5

La 0,0015-0,015

Ni остальное.

и изделие, выполненное из него.

Авторами было установлено, что при дополнительном введении в состав сплава тантала и лантана при заявленных соотношениях компонентов наблюдается уплотнение оксидной пленки и улучшается ее адгезия с основным материалом, что при высоком содержании алюминия в сплаве и, соответственно в оксидной пленке, повышает сопротивление сплава высокотемпературному окислению и обеспечивает высокую жаростойкость сплава при 1200-1250°С. Упрочнение γ'-фазы и γ-твердого раствора танталом и большой атомный радиус лантана способствуют снижению скорости диффузии при высоких температурах как в объеме зерна, так и по границам, что в свою очередь обеспечивает повышенные прочность и жаропрочность сплава при температурах 1000-1200°С.

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. Результаты химического анализа составов предлагаемого жаростойкого 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 получали образцы ⊘ 16 мм и длиной 150 мм.

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

Из таблицы 2 видно, что свойства предлагаемого жаростойкого сплава на основе интерметаллида Ni₃Al выше, чем свойства сплава-прототипа.

Кратковременная прочность при температуре 1150°С (σ_B ¹¹⁵⁰) на 24,9-29,1% у предлагаемого сплава выше чем у сплава-прототипа; при температуре 1200°С (σ_в ¹²⁰⁰) - на 19,0-25,0%; при температуре 1300°С предлагаемый сплав кратковременно работает и σ_B ¹³⁰⁰ составляет 6,5-7,0 кгс/мм².

Жаропрочность по пределу длительной прочности при температуре 1000°С на базе 1000 часов (σ₁₀₀₀ ¹⁰⁰⁰) y предлагаемого сплава на 75,0-87,5% выше чем у сплава-прототипа; при температуре 1100°С на базе 500 часов (σ₅₀₀ ¹¹⁰⁰) - на 11,1-18,0%; при температуре 1200°С на базе 500 часов (σ₅₀₀ ¹²⁰⁰) y предлагаемого сплава на 30,4-39,1% выше чем у сплава-прототипа.

Жаростойкость по привесу при окислении на воздухе за 500 часов при температуре 1200°С на 18,2-30,0% и жаростойкость по привесу при окислении на воздухе за 500 часов при температуре 1250°С на 48,5-53,0% у предлагаемого сплава лучше, чем у сплава-прототипа.

Использование предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Al повышает надежность изделий и увеличивает их ресурс работы.

Таблица 1
№ п/п	Содержание элементов, мас.%
Аl	Cr	W	Mo	Ti	С	Zr	Та	La	Sn	Ni
I	9,6	4,5	3,0	3,0	1.0	0,01	0,3	0,3	0,0015	-	Осн
II	9.2	4,8	2,7	3,2	1,2	0,001	0,05	0,5	0,010	-	Осн
III	9,4	4,2	3,2	2,8	1,4	0,02	0,5	0,1	0,015	-	Осн
прототип	8,5	5,5	3,4	3,5	1,0	0,003	0,3		-	0,04	Осн

Таблица 2
Свойства	I	II	III	прототип
σ_В ¹¹⁵⁰, кгс/мм²	36,0	35,6	36,8	28,5
σ_В ¹²⁰⁰, кгс/мм	24,6	25,0	23,8	20,0
σ_В ¹³⁰⁰, кгс/мм²	6,5	7,0	7,0	-
σ ₁₀₀₀ ¹⁰⁰⁰, кгс/мм²	14,5	14,0	15,0	8,0
σ₅₀₀ ¹¹⁰⁰, кгс/мм²	8.5	8,2	8,0	7,2
σ₅₀₀ ¹²⁰⁰, кгс/мм²	3,1	3,0	3,2	2,3
Жаростойкость по привесу при окислении на воздухе за 500 часов при 1200°С, г/м²	21	20	22	26
Жаростойкость по привесу при окислении на воздухе за 500 часов при 1250°С, г/м²	35	34	35	52

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

Аl 9,2-9,6

Cr 4,2-4,8

W 2,7-3,2

Мо 2,8-3,2

Ti 1,0-1,4

Zr 0,05-0,5

С 0,001-0,02

Та 0,1-0,5

La 0,0015-0,015

Ni Остальное

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

Изобретение относится к области цветной металлургии и может быть использовано для получения легированных титановых сплавов методом вакуумного дугового переплава.

Сплав на основе интерметаллида ni3al и изделие, выполненное из него // 2221890

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным интерметаллидным сплавам на основе Ni3Al и изделиям, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям.

Высокотемпературный антифрикционный материал покрытия // 2220219

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к износостойким покрытиям, имеющим при температуре до 1100o С пониженный коэффициент трения. .

Водородосорбирующий сплав для аккумуляторов водорода и тепловых насосов // 2214470

Изобретение относится к водородной энергетике, а именно к сплавам, используемым в аккумуляторах водорода и тепловых насосах. .

Сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него // 2191843

Изобретение относится к металлургии, в частности к сплавам, предназначенным для изготовления деталей и узлов, обладающих высоким уровнем износостойкости и антифрикционных свойств и применяемых в авиационной промышленности.

Материал на основе никелида титана с эффектом памяти формы // 2191842

Изобретение относится к материалам с памятью формы с модифицированной поверхностью, которые могут быть использованы в качестве имплантатов в медицине, в качестве элементов и изделий, работающих в агрессивных средах и т.

Лигатура (варианты) // 2191213

Сплав на никелевой основе для монокристаллических затравок и способ его выплавки // 2158781

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при получении монокристаллических изделий из жаропрочных сплавов заданной кристаллографической ориентации, например лопаток ГТД и ГТУ.

Высокопрочный инварный сплав // 2154692

Изобретение относится к металлургии, конкретно к разработке высокопрочных инварных сплавов с минимальным значением температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) ниже 2,510-6 K-1.

Способ получения тонкого проката // 2120828

Изобретение относится к области металлургии, а именно, к области получения сплавов на основе никеля, и может быть использовано при изготовлении тонкого проката для дожигания выхлопных газов.

Сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него // 2278178

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам на основе никеля, предназначенным для изготовления деталей и узлов, обладающих высоким уровнем износо- и коррозионной стойкости, антифрикционных свойств, применяемых в авиационной промышленности

Коррозионно-стойкий сплав на железоникелевой основе // 2281342

Изобретение относится к области металлургии, а именно к железоникелевым сплавам, обладающим высокой стойкостью против высокотемпературной коррозии в расплавах карбонатов щелочных металлов, предназначенных для длительной эксплуатации при температурах до 700°С и используемых в деталях батарей топливных элементов электрохимических генераторов

Порошковый жаростойкий сплав на основе интерметаллида nial и изделие, выполненное из него // 2291911

Изобретение относится к области металлургии, а именно к порошковому жаростойкому сплаву на основе интерметаллида NiAl, и изделиям, получаемым из него

Способ получения ферросплава // 2299920

Изобретение относится к области металлургии, в частности к переработке бедных окисленных никелевых руд и алюминийсодержащих отходов цветной металлургии восстановительной плавкой в электропечи

Сплав на основе интерметаллида ni3al и изделие, выполненное из него // 2308499

Изобретение относится к литейным интерметаллидным сплавам на основе Ni3Al и изделиям, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям с монокристаллической структурой, таким как рабочие и сопловые лопатки газотурбинных двигателей, используемых в авиационной промышленности

Сплав на основе никеля // 2314356

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для изготовления деталей газотурбинных двигателей и других силовых установок

Сплав // 2320752

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано в приборостроении

Сплав для легирования // 2323996

Изобретение относится к металлургии, в частности для модифицирования жаропрочных сталей и сплавов магнием

Сплав с эффектом памяти формы // 2327753

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для создания технологий, основанных на применении сплавов с эффектом памяти формы

Сплав на основе никеля // 2329318

Изобретение относится к области металлургии, в частности, к составам сплавов на основе никеля, которые могут быть использованы для изготовления цилиндров и шнеков машин для литья пластмасс под давлением