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

Изобретение относится к области металлургии, а именно к порошковому жаростойкому сплаву на основе интерметаллида NiAl, и изделиям, получаемым из него. Предложен порошковый жаростойкий сплав на основе интерметаллида NiAl и изделие, выполненное из него. Сплав имеет следующий химический состав, мас.%: хром 1,5-3,5, молибден 0,5-1,6, вольфрам 0,5-1,5, титан 0,2-0,6, кобальт 0,4-1,5, кальций 0,01-0,2, NiAl - остальное. Технический результат - повышенные характеристики твердости, эрозионной стойкости и сопротивления тепловым ударам при температурах 1100 и 1200°С, что обеспечивает высокую износостойкость изделий, выполненных из предлагаемого сплава, и, следовательно, тепловые и силовые нагрузки, их ресурс и надежность. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к порошковым жаростойким сплавам на основе интерметаллида NiAl, и изделиям, получаемым из них. Материалы на основе интерметаллида никеля NiAl предназначены для длительной эксплуатации при высоких температурах в окислительной среде в условиях значительной механической и термической усталости. Они используются при температурах вплоть до 1500°С в качестве жаростойких и износостойких защитных покрытий на поверхности деталей ГТД: кромок и полок рабочих и сопловых лопаток, элементов жаровых труб, а также других деталей машин, наносимых методами детонационного, плазменного и ионно-плазменного напыления. Кроме того, они используются в виде деталей ГТД: входных кромок рабочих и сопловых лопаток, секторов турбины, пластин жаровых труб.

Сплавы на основе интерметаллида никеля - соединения Ni₃Al известны высокими прочностными свойствами и достаточным уровнем пластичности при комнатной и повышенных температурах эксплуатации. Но эти сплавы и изделия, выполненные из них, не обладают достаточной жаростойкостью при температурах, превышающих 1000°С /А.С. СССР №1831511, патент РФ №2237093/.

Известен интерметаллидный сплав на основе никель-алюминия NiAl, который используется в качестве материала для высокотемпературных деталей ГТД (лопаток). Он содержит бинарную фазу NiAl, а также дополнительно хром и тантал с общей долей до 12 ат.%. Сплав может дополнительно содержать по меньшей мере один элемент из группы, включающей Fe, Mo, W, Nb, Hf, с соответствующей долей до 1 ат.%, и в общей сложности не более чем 3 ат.%. /Патент РФ №2148671/.

Сплав обладает хорошим сопротивлением окислению, хорошей стойкостью к термоудару, а также прочностью при растяжении, но невысокими значениями твердости и износостойкости при высоких температурах более 1000°С, что не позволяет использовать его в качестве деталей ГТД нового поколения

Известен сплав на основе интерметаллида NiAl, используемый в качестве защитного покрытия в окислительной среде на деталях сопла при высоких температурах и изготавливаемый размолом NiAl и CoCrAlY - лигатуры в жидком азоте. Сплав представляет собой NiAl - CoCrAlY матрицу (содержание CoCrAlY от 15 до 30 об.%) с дисперсными включениями в ней частиц AlN. Он характеризуется хорошей жаростойкостью и низким коэффициентом термического расширения, но недостаточной износостойкостью при высоких температурах /Патент США №6805725/.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является жаростойкий сплав на основе интерметаллида NiAl, содержащий хром, молибден, вольфрам, титан и кобальт при следующем соотношении компонентов (мас.%):

Хром	1,8-3,5
Молибден	0,8-1,6
Вольфрам	0,8-1,4
Титан	0,2-0,6
Кобальт	0,4-1,2
Интерметаллид NiAl	остальное

/Авторское свидетельство СССР №1511288/.

Сплав используется для защиты от окисления лопаток ГТД. Недостатком сплава является недостаточно высокая твердость, эрозионная стойкость и его сопротивление тепловым ударам при температурах, превышающих 1000°С, что ограничивает использование материала и изделий, выполненных из него, например защитных покрытий, при температурах 1100-1200°С.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание порошкового жаростойкого сплава с повышенными горячей твердостью и эрозионной стойкостью, а также сопротивлением тепловым ударам, позволяющим использовать изделия, выполненные из него при температурах свыше 1000°С в горячем тракте ГТД.

Для достижения поставленной технической задачи предлагается порошковый жаростойкий сплав на основе интерметаллида NiAl, содержащий хром, молибден, вольфрам, титан, кобальт, при этом, что он дополнительно содержит кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

хром	1,5-3,5
молибден	0,5-1,6
вольфрам	0,5-1,5
титан	0,2-0,6
кобальт	0,4-1,5
кальций	0,01-0,2
интерметаллид NiAl	остальное

и изделие, выполненное из него.

Предлагаемый жаростойкий сплав является порошковым.

Авторами было установлено, что при заявленных соотношениях компонентов в предлагаемом сплаве на основе интерметаллида NiAl в области гомогенности β (NiAl)-фазы и дополнительном введении кальция в количестве (0,01-0,20) мас.% удается снизить содержание газов, всегда присутствующих в металлических порошках, в частности кислорода, водорода, азота в сплаве по границам зерен, что, в свою очередь, приводит к снижению доли межзеренного разрушения и, как следствие, повышению термостойкости, эрозионной стойкости и горячей твердости материала при температурах 1100-1200°С.

Примеры осуществления.

В лабораторных условиях были получены сплавы предлагаемого состава и сплава-прототипа способом механического легирования. Все исходные компоненты, взятые в виде элементарных порошков, обрабатывались в аттриторе. Готовый порошок сплава просеивали через сито 100 мкм для отделения посторонних примесей и контролировали по гранулометрическому составу и насыпной массе.

Испытания по измерению твердости осуществлялись на лабораторном оборудовании по методике ИМЕТ им. А.А.Байкова РАН.

Испытания по определению эрозионной стойкости и термостойкости осуществлялись на лабораторном оборудовании по методике ФГУП ВИАМ (СТП 595-14-150-85).

Составы и свойства предлагаемого порошкового жаростойкого сплава и сплава - прототипа приведены в таблицах 1 и 2 (где примеры 1-3 - предлагаемые составы сплава, пример 4 - состав сплава - прототипа). Аналогичные свойства получены на сплавах, изготовленных другими известными способами: восстановлением окислов, распылением.

Таблица 1
Составы предлагаемого порошкового сплава и сплава-прототипа
Элементы	Содержание элементов в сплаве, мас.%
1	2	3	4 (прототип)
Cr	2,5	1,5	3,5	3,5
Мо	1,0	0,5	1,6	1,6
W	1,0	0,5	1,5	1,4
Ti	0,4	0,2	0,6	0,6
Со	0,9	0,4	1,5	1,2
Са	0,09	0,01	0,2	-
NiAl	остальное	остальное	остальное	остальное

Таблица 2
Свойства предлагаемого порошкового сплава и сплава-прототипа
Состав	Горячая твердость HV, ГПа	Сопротивление тепловым ударам (кол-во термоударов до появления дефектов)	Эрозионная стойкость в сравнении со сплавом ЖС6К
	1100°С	1200°С	1100°С	1200°С	1100°С	1200°С
1	9,8	9,0	150	130	>3,5	>3,0
2	9,3	7,8	130	120	>3,0	>2,5
3	9,6	8,7	140	125	>3,5	>2,8
4	8,6	6,8	100	90	>2,5	>2,0
(прототип)

Из таблицы 2 видно, что свойства предлагаемого порошкового жаростойкого сплава выше, чем свойства известного сплава-прототипа: горячая твердость - на 10-25%, сопротивление тепловым ударам - на 30-35%, эрозионная стойкость - на 25-35%. При сохранении жаростойкости на уровне прототипа - привес при 1100°С не более 0,09 г/м²·ч.

Таким образом, использование предлагаемого порошкового жаростойкого сплава на основе интерметаллида NiAl с повышенными характеристиками твердости, эрозионной стойкости и сопротивлением тепловым ударам при температурах 1100 и 1200°С повышает износостойкость покрытий и изделий, выполненных из него, например, входных кромок рабочих и сопловых лопаток, секторов турбины, пластин жаровых труб и, следовательно, тепловые и силовые нагрузки, их ресурс и надежность.

1. Порошковый жаростойкий сплав на основе интерметаллида NiAl, содержащий хром, молибден, вольфрам, титан, кобальт, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Хром	1,5-3,5
Молибден	0,5-1,6
Вольфрам	0,5-1,5
Титан	0,2-0,6
Кобальт	0,4-1,5
Кальций	0,01-0,2
Интерметаллид NiAl	Остальное

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