Интерметаллидный сплав на основе ниобия
Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным интерметаллидным сплавам на основе Nb-Al для изготовления деталей авиационно-космической техники, работающих при температурах до 1600°С. Предложен интерметаллидный сплав на основе системы Nb-Al, содержащий ниобий, алюминий, вольфрам и тантал, при этом он дополнительно содержит хром, кремний, иттрий, лантан и церий при следующем соотношении компонентов, мас.%: хром 1,0-10,0, алюминий 14,0-20,0, вольфрам 1,0-15,0, тантал 1,0-15,0, кремний 0,1-5,0, иттрий 0,003-0,1, лантан 0,001-0,1, церий 0,003-0,1, ниобий - остальное. Технический результат - повышение жаропрочности и жаростойкости сплава. 2 табл.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к изысканию жаропрочного интерметаллидного сплава на основе системы Nb-Al для изготовления деталей авиационно-космической техники с рабочими температурами до 1600°С.
Известен ниобиевый сплав по патенту США №5741376 кл. С 22 С 27/02, НКИ: 148-422, 1998 г., содержащий следующий состав, мас.%:
Титан 26,0-34,0
Хром 6,0-10,0
Алюминий 6,0-12,0
Кремний 9,0-18,0
Ниобий - основа
Этот сплав обладает недостаточной прочностью при пониженных температурах.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения, выбранным в качестве прототипа, является ниобиевый сплав на основе интерметаллидного соединения Nb3Аl, описанный в патенте Японии 06122935 опубл. 06.05.94 г., кл. С 22 С 27/02 следующего атомарного состава:
Nb1-x-y-zWxTayAlz,
где 0,01≤х≤0,15
0,01≤у≤0,15
0,18≤z≤0,26
а в мас.% состава:
Тантал 1,0-15,0
Вольфрам 1,0-15,0
Алюминий 18,0-26,0
Ниобий - остальное
Известный сплав отличается повышенной прочностью на сжатие при температуре 1600°С по сравнению с бинарными сплавами системы Nb-Аl.
Недостатком известного сплава являются невысокая жаростойкость и жаропрочность при 1400-1600°С.
Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является создание сплава с более высокими жаропрочными характеристиками.
Решение поставленной задачи достигается тем, что к известному сплаву, содержащему тантал, вольфрам, алюминий и ниобий, добавлен хром в количестве 1,0-10 мас.%, кремний в количестве 0,1-5,0 мас.%, иттрий и церий каждый в количестве 0,003-0,1 мac.%, лантан в количестве 0,001-0,1 мас.% и уменьшено количественное содержание алюминия до 14,0-20,0 мас%.
Предлагаемый сплав имеет следующее соотношение компонентов, мас.%:
Хром 1,0-10,0
Алюминий 14,0-20,0
Вольфрам 1,0-15,0
Тантал 1,0-15,0
Кремний 0,1-5,0
Иттрий 0,003-0,1
Лантан 0,001-0,1
Церий 0,003-0,1
Ниобий - остальное
Оптимальное сочетание упрочнения твердого раствора с дисперсионным упрочнением и повышением жаростойкости позволяет существенно повысить жаростойкость, жаропрочность и высокотемпературную твердость материала и обеспечить стабильность этих свойств в условиях длительной эксплуатации.
Наличие вольфрама и кремния позволяет значительно снизить скорость окисления и повысить жаропрочность. Введение легирующих элементов ниже минимального содержания не позволяет получить желаемый эффект. Превышение содержания легирующих элементов то сравнению с максимально заявленным значением крайне нежелательно, так как приводит к структурной нестабильности с появлением охрупчивающих интерметаллидных фаз, а также скоплению дефектов по границам зерен, чти в конечном счете снижает жаропрочные и жаростойкие характеристики материала и требует более частой замены штампового инструмента.
Наличие хрома позволяет повысить стойкость к окислению до 1500°С.
Наличие иттрия, лантана и церия позволяет обеспечить низкую окисляемость материала на воздухе при повышенных температурах. Одновременно они являются микролегирующими добавками, повышающими прочностные характеристики.
Предлагаемый сплав получают комбинированным способом, включающим в себя литье и метод порошковой металлургии.
Комбинированный способ получения предлагаемого сплава включает два этапа. Тантал и вольфрам вводят на первом этапе. На первом этапе получают литую заготовку сплава состава Nb - (14-20) мас.% Аl, содержащую 0,003-0,1 мас.% Y, Се, и La 0,001-0,1 мас.% в качестве микролегирующих добавок. Данная заготовка имеет низкую пластичность при комнатной температуре и легко измельчается в порошок. На втором этапе, осуществляемом методом порошковой металлургии, полученный порошок сплава Nb-Аl с микролегирующими добавками смешивается с указанными количествами порошков остальных легирующих элементов - кремния и хрома.
Химический состав выплавленных сплавов и сплава-прототипа представлен в табл.1.
Свойства выплавленных сплавов и сплава-прототипа приведены в табл.2.
| Таблица 1. | ||||||||||
| № п/п | Сплав | Химические элементы, % масс. | ||||||||
| Сr | Аl | W | Та | Si | Y | La | Се | Nb | ||
| 1 | минимум | 1,0 | 14,0 | 1,0 | 1,0 | 0,1 | 0,003 | 0,001 | 0,003 | ocт. |
| 2 | средний | 6 | 17,0 | 10,0 | 10,0 | 3 | 0,007 | 0,007 | 0,007 | ocт. |
| 3 | максимум | 10,0 | 20,0 | 15,0 | 15,0 | 5,0 | 0,1 | 0,1 | 0,1 | ocт. |
| 4 | прототип | 18,0 | 10,0 | 10,0 | - | - | - | - | ocт. |
| Таблица 2 | ||
| № п/п | Сплав | Прочность σВ 1600, МПа |
| 1 | минимум | 185,5 |
| 2 | средний | 190,6 |
| 3 | максимум | 200,3 |
| 4 | прототип | 181,5 |
Таким образом, использование сплава позволяет повысить жаростойкость и жаропрочность предложенного сплава, что необходимо при изготовлении деталей авиационно-космической техники.
Интерметаллидный сплав на основе системы Nb-Al, содержащий ниобий, алюминий, вольфрам и тантал, отличающийся тем, что он дополнительно содержит хром, кремний, иттрий, лантан и церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Хром 1,0-10,0
Алюминий 14,0-20,0
Вольфрам 1,0-15,0
Тантал 1,0-15,0
Кремний 0,1-5,0
Иттрий 0,003-0,1
Лантан 0,001-0,1
Церий 0,003-0,1
Ниобий Остальное
