Сплав на основе интерметаллида ni3al и изделие, выполненное из него

Изобретение относится к металлургии, а именно к литейным сплавам на основе интерметаллида Ni₃Al и изделиям, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям с поликристаллической структурой, таким как сопловые лопатки, проставки соплового аппарата, крупногабаритные створки и другие детали газотурбинных двигателей авиационной и автомобильной промышленности. Для повышения пластичности при комнатной температуре, кратковременной прочности при 20°С, многоцикловой усталости при температурах 20 и 900°С и термостойкости сплав имеет следующий состав, мас.%: Al 8,5-9,5, Cr 4,5-5,5, W 1,5-2,5, Мо 2,0-3,0, Со 6,0-8,0, Zr 1,0-1,3, С 0,15-0,20, В 0,001-0,005, Y 0,001-0,005, Ni - остальное. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным сплавам на основе интерметаллида Ni₃Al и изделиям, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям с поликристаллической структурой, таким как, например, сопловые лопатки, проставки соплового аппарата, крупногабаритные створки и другие детали ГТД авиационной и автомобильной промышленности

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

Ni	50-78
Cr	1,5-5
Co	0-10
Mo	0-4
W	0-8
Al	5-11
Ti	0-9
Nb	0-8
Та	0-15

Патент США №3902900

Недостатком этого сплава является высокая плотность, рабочая температура, не превышающая 1150°С, низкая жаропрочность и недостаточная жаростойкость.

Изделия из этого сплава, например проставки соплового аппарата, используются только с защитными покрытиями.

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

Al	10,5-12,5
Cr	4,0-6,0
W	1,5-2,5
Ti	1,0-1,6
С	0,1-0,2
Si	0,9-1,2
В	0,005-0,015
Y	0,005-0,015
Ni	остальное

Патент РФ №2230812

Недостатком этого сплава является пониженная кратковременная прочность при комнатной температуре и недостаточная жаропрочность при температурах 1000-1200°С.

Изделия из этого сплава, например, рабочие или сопловые лопатки ГТД, имеют ограниченную номенклатуру отливаемых деталей.

Известен сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, предназначенный для изделий, получаемых методом точного литья по выплавляемым моделям следующего химического состава, мас.%:

AI	8,0-9,0
Cr	5,0-6,0
W	4,5-5,5
Mo	2,5-3,5
Ti	1,2-2,0
Zr	0,005-0,04
С	0,12-0,15
Y	0,3-0,4
Ni	остальное

Патент РФ №2215054

Недостатком этого сплава является недостаточная жаропрочность при температурах 1100-1200°С на базе 100 часов (σ₁₀₀ ¹¹⁰⁰=4,2-5,0 кгс/мм², σ₁₀₀ ¹²⁰⁰=1,0-1,2 кгс/мм) на деталях, полученных методом точного литья по выплавляемым моделям с поликристаллической структурой.

Изделия из этого сплава имеют ограниченную номенклатуру отливаемых деталей, а в случае отливки тонкостенных деталей с поликристаллической структурой, например створок и проставок регулируемого сопла, - неудовлетворительный выход годного.

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

AI	8,0-9,0
Cr	4,5-5,5
W	1,8-2,5
Mo	4,5-5,5
Со	3,5-4,5
Zr	0,05-0,5
С	0,12-0,2
Ti	0,6-1,2
La	0,0015-0,015
Ni	остальное

и изделие, выполненное из него, Патент РФ №2245387. Сплав-прототип обладает недостаточной пластичностью при комнатной температуре (относительное удлинение, δ²⁰), невысокими кратковременной прочностью при 20°С (предел прочности σ_B ²⁰), многоцикловой усталостью при температурах 20 и 900°С (предел выносливости на базе 2×10⁷ циклов, σ_-1 ²⁰, σ_-1 ⁹⁰⁰) и термостойкостью (число циклов N до появления первой трещины длиной 3 мм при теплосменах 200°С ↔ 1100°С).

Изделия из этого сплава, например сопловые лопатки, блоки сопловых лопаток ГТД, створки регулируемого сопла, имеют недостаточную долговечность и ограниченную номенклатуру отливаемых деталей.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка сплава и изделия, выполненного из него, обладающих повышенными пластичностью при комнатной температуре, кратковременной прочностью при 20°С, многоцикловой усталостью при температурах 20 и 900°С и термостойкостью.

Для достижения поставленной технической задачи предлагается сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, содержащий алюминий, хром, вольфрам, молибден, кобальт, цирконий, углерод, никель, который дополнительно содержит бор и иттрий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Al	8,5-9,5
Cr	4,5-5,5
W	1,5-2,5
Mo	2,0-3,0
Со	6,0-8,0
Zr	1,0-1,3
С	0,15-0,20
В	0,001-0,005
Y	0,001-0,005
Ni	остальное

и изделие, выполненное из него.

Авторами было установлено, что при введении бора и иттрия при заявленном содержании и соотношениях компонентов в предлагаемом сплаве наблюдается частичное растворение бора в гранецентрированной кубической решетке соединения Ni₃Al, иттрий, соединяясь с кислородом, снижает содержание газов на границах зерен, рафинируя их, и образует интерметаллидное соединение, что обеспечивает повышение пластичности и кратковременной прочности при температуре 20°С, многоцикловой усталости при температурах 20 и 900°С и термостойкости при теплосменах 200°С ↔ 1100°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 ⊘ 90 мм отбирали стружку на химический анализ. Результаты химического анализа составов сплава приведены в таблице 1.

Содержание легирующих элементов, газов и примесей, таких как железо, кремний, сера, фосфор, свинец, висмут, олово и сурьма, определяли по стандартным методикам.

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 6 кг для последующего переплава.

Образцы ⊘16 мм и длиной 75 мм получали методом точного литья по выплавляемым моделям с поликристаллической структурой.

Свойства предлагаемого сплава с различным соотношением компонентов и сплава- прототипа, полученных по одной и той же технологической схеме, приведены в таблице 2.

Из таблицы 2 видно, что относительное удлинение при 20°С (δ²⁰) в 5,5-6,6 раз, а предел прочности при 20°С (σ_в ²⁰) на 11,3-16,1% у предлагаемого сплава выше, чем у сплава-прототипа; предел выносливости на базе 2×10⁷ циклов при температуре 20°С (σ_-1 ²⁰) на 20,8-33,3%, а при температуре 900°С (σ_-1 ⁹⁰⁰) на 14,6-24,4% у предлагаемого сплава выше, чем у сплава-прототипа; термостойкость до появления первой трещины длиной 3 мм при теплосменах 200°С ↔ 1100°С у предлагаемого сплава на 60-75% выше, чем у сплава-прототипа.

Использование предлагаемого сплава повышает надежность и ресурс работы деталей.

Таблица 1
состав	Содержание элементов, % масс.
Al	Cr	W	Mo	Со	Zr	С	Ti	La	В	Y	Ni
1	8,5	4,5	2,0	2,5	7,0	1,15	0,18	-	-	0,001	0,005	Ост.
2	9,0	5,5	1,5	3,0	6,0	1,0	0,15	-	-	0,003	0,003	-«-
3	9,5	5,0	2,5	2,0	8,0	1,3	0,20	-	-	0,005	0,001	-«-
Прототип	8,5	5,0	2,2	5,0	4,0	0,2	0,16	0,9	0,008			-«-

Таблица 2
№ п/п	Относительное удлинение, δ20, %	Предел прочности, σв 20, кгс/мм2	Предел выносливости на базе 2×107 циклов,σ-1 20, кгс/мм2	Предел выносливости на базе 2×107 циклов,σ-1 900, кгс/мм2	Термостойкость при теплосменах 200°C ↔ 1100°C, цикл.
1	12,0	70,0	15,0	23,5	105
2	13,5	69,0	16,0	25,0	100
3	14,5	72,0	14,5	25,5	96
Прототип	2,2	62,0	12,0	20,5	60

1. Сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, содержащий алюминий, хром, вольфрам, молибден, кобальт, цирконий, углерод, никель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит бор и иттрий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Al	8,5-9,5
Cr	4,5-5,5
W	1,5-2,5
Mo	2,0-3,0
Co	6,0-8,0
Zr	1,0-1,3
С	0,15-0,20
В	0,001-0,005
Y	0,001-0,005
Ni	остальное

2. Изделие из сплава на основе интерметаллида Ni₃Al, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п.1.