Сплав на основе интерметаллида ni3al и изделие, выполненное из него

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным интерметаллидным сплавам на основе Ni₃Al и изделиям, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям с монокристаллической структурой, таким как рабочие лопатки газотурбинных двигателей авиационной промышленности. Предложен сплав на основе Ni₃Al и изделие, выполненное из него. Сплав содержит алюминий, хром, молибден, вольфрам, титан, углерод, кобальт, рений, лантан, при этом он дополнительно содержит цирконий, при следующем соотношении компонентов, мас.%: Al 7,7-8,7, Cr 5,0-6,0, Мо 4,5-5,5, W 2,5-3,5, Ti 0,3-0,8, С 0,001-0,02, Со 4,0-6,0, Re 1,2-1,8, La 0,002-0,200, Zr 0,05-0,5, Ni остальное. Использование предлагаемого сплава повышает надежность рабочих лопаток ГТД и увеличивает их ресурс работы за счет повышенного предела ползучести в интервале температур 900-1000°С и малоцикловой усталости при 900°С. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным интерметаллидным сплавам на основе Ni₃Al и изделиям, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям с монокристаллической структурой, таким как рабочие лопатки: газотурбинных двигателей авиационной промышленности.

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

Аl 10-16

Si 0,5-8

Та 0,5-9

Hf 0,1-2

В 0,1-2

Ni остальное

Патент США №4990199.

Недостатком этого сплава является недостаточно высокая рабочая температура (850°С) и неудовлетворительная долговечность при рабочей температуре.

Изделия из этого сплава используются в наземных газоперекачивающих установках с ограниченным ресурсом работы.

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

Аl 8,5-9,2

Cr 5,0-6,0

Мо 3,0-4,0

W 4,5-5,5

Ti 0,5-1,0

Сo 2,0-3,0

С 0,003-0,005

La 0,002-0,025

Се 0,003-0,025

Re 1,0-2,0

Ni остальное

Патент РФ №2212462.

Недостатком этого сплава является невысокая жаропрочность в интервале температур 900-1000°С на базах испытания 100, 500 и 1000 часов.

Изделия из этого сплава, например рабочие лопатки ГТД, имеют короткий ресурс работы.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является сплав на основе интерметаллида Ni₃Аl, имеющий химический состав, мас.%:

Аl 17,7-8,7

Cr 5,0-6,0

Мо 4,5-5,5

W 2,5-3,5

Ti 0,3-0,8

С 0,005-0,01

Со 3,5-4,5

Re 1,2-1,8

Та 0,1-1,0

La 0,015-0,025

Ni остальное

Патент РФ 2221890.

Недостатком этого сплава является пониженный предел ползучести в интервале температур 900-1000°С и недостаточно высокая малоцикловая усталость при температуре 900°С.

Изделия из этого сплава, рабочие лопатки ГТД, имеют ограниченный ресурс работы.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка сплава и изделий, выполненных из него, обладающих повышенными пределом ползучести в интервале температур 900-1000°С и малоцикловой усталостью при температуре 900°С.

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

Аl 7,7-8,7

Cr 5,0-6,0

Мо 4,5-5,5

W 2,5-3,5

Ti 0,3-0,8

С 0,001-0,02

Со 4,0-6,0

Re 1,2-1,8

La 0,002-0,200

Zr 0,05-0,5

Ni остальное

и изделие, выполненное из него.

Авторами было установлено, что при заявленных содержании и соотношениях компонентов в предлагаемом сплаве на основе интерметаллида Ni₃Al и дополнительном введении циркония наблюдается уплотнение оксидной пленки сложного состава, содержащей помимо алюминия и хрома цирконий, снижающей диффузию кислорода через слой оксида, что в свою очередь замедляет скорость распространения трещин как при статических, так и при циклических нагрузках и повышает предел ползучести в интервале температур 900-1000°С и малоцикловую усталостью при температуре 900°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 ⊘ 50 мм отбирали стружку на химический анализ. Результаты химанализа составов сплава 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 сплава с различным соотношением компонентов и сплава-прототипа приведены в таблице 2.

Из таблицы 2 видно, что свойства предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Аl выше, чем свойства известного. Предел ползучести по допуску 0,2% по остаточной деформации при 900°С (σ_0,2 ⁹⁰⁰) на базе 100 часов у предлагаемого сплава на 52-60% выше, чем у сплава-прототипа; при 1000°С (σ_0,2 ¹⁰⁰⁰) на базе 100 часов - на 60-70%; малоцикловая усталость на гладких образцах на базе 10⁴ цикла при 900°С (σ_-1 ¹) у предлагаемого сплава на 52-60% выше, чем у сплава-прототипа 42,2-46,7%.

Использование предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Al повышает надежность рабочих лопаток ГТД и увеличивает их ресурс работы.

Таблица 1
состав	Содержание элементов, % масс.
Аl	Cr	Мо	W	Ti	С	Со	Re	La	Zr	Та	Ni
I	7,7	5,5	4,5	3,5	0,8	0,001	4,0	1,2	0,002	0,1		Осн
II	8,7	5,0	5,0	3,0	0,3	0,01	5,0	1,6	0,1	0,50		Осн
III	8,2	6,0	5,5	2,5	0,5	0,02	6,0	1,8	0,2	0,05		Осн
прототип	8,2	5,5	5,0	3,0	1,0	0,008	4,0	1,6	0,02	-	0,55	Осн

Таблица 2
Свойства	Предел ползучести по допуску 0,2% по остаточной деформации при 900°C (σ0,2 900) на базе 100 час, кгс/мм,	Предел ползучести по допуску 0,2% по остаточной деформации при 1000 °C (σ0,2 1000) на базе 100 час, кгс/мм,	Малоцикловая усталость на гладких образцах на базе 104 цикла при 900°С (σ-1 1), кгс/мм2
I	38,0	16,0	64,0
II	40,0	16,5	66,0
III	39,0	17,0	65,0
прототип	25,0	10,0	45,0

1. Сплав на основе интерметаллида Ni₃Аl, содержащий алюминий, хром, молибден, вольфрам, титан, углерод, кобальт, рений, лантан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит цирконий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Аl 7,7-8,7

Cr 5,0-6,0

Мо 4,5-5,5

W 2,5-3,5

Ti 0,3-0,8

С 0,001-0,02

Со 4,0-6,0

Re 1,2-1,8

La 0,002-0,200

Zr 0,05-0,5

Ni Остальное

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