Сплав на основе интерметаллида ni3al
Владельцы патента RU 2405851:
Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Федеральное агентство по науке и инновациям (RU)
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов (ФГУП "ВИАМ") (RU)
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 и направленной столбчатой структурами, таким как, например, сопловые лопатки, блоки сопловых лопаток, створки регулируемого сопла и другие детали газотурбинных двигателей авиационной и автомобильной промышленности. Предложен сплав на основе интерметаллида Ni3Al следующего химического состава, мас.%: Al 8,0-10,8, Cr 4,0-6,0, W 1,5-5,5, Ti 1,0-1,4, Zr 0,03-0,05, С 0,15-0,20, Y 0,01-0,02, La 0,0015-0,0150, В 0,008-0,018, Ni - остальное. Сплав характеризуется повышенной жаропрочностью при температурах 1100-1200°C на базе 100 часов и жаростойкостью при 1250°C. Использование предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni3Al повышает температуру газа перед турбиной, тягу двигателя, надежность деталей и увеличивает ресурс их работы. 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 и направленной столбчатой структурами, таким как, например, сопловые лопатки, блоки сопловых лопаток, створки регулируемого сопла и другие детали газотурбинных двигателей авиационной и автомобильной промышленности.
Известен сплав на основе интерметаллида Ni3Al следующего химического состава, мас.%:
| Al | 11,5 |
| Со | 11,5 |
| Мо | 1,0 |
| Hf | 1,75 |
| Nb | 0,5 |
| Zr | 0,05 |
| Ni | остальное |
(Патент США №4613368). Недостатком этого сплава является низкая (<3%) пластичность при температурах 600-800°С и невысокая рабочая температура (до 800°С).
Изделия из этого сплава используются для наземных силовых установок при температурах эксплуатации до 800°С.
Известен сплав на основе интерметаллида Ni3Al следующего химического состава, мас.%:
| Al | 10,5-12,5 |
| Cr | 4-6 |
| 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). Недостатками этого сплава являются недостаточные кратковременная прочность при комнатной температуре и жаропрочность при температурах 1000-1200°С.
Изделия из этого сплава, например бандажные полки рабочих лопаток и вкладыши соплового аппарата газовых турбин имеют ограниченный ресурс работы.
Известен сплав на основе интерметаллида Ni3Al следующего химического состава, мас.%:
| Al | 8,0-9,0 |
| Cr | 4,5-6,5 |
| W | 2,0-4,2 |
| Mo | 2,5-4,5 |
| Ti | 1,0-2,0 |
| С | 0,10-0,18 |
| Hf | 0,40-0,60 |
| Ni | остальное |
(Патент РФ №2304179). Недостатком известного сплава является недостаточная жаропрочность при температурах 1100-1200°С на базе испытания 500 часов.
Сплав предназначен для сопловых лопаток и проставок соплового аппарата и других деталей ГТД.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является сплав на основе интерметаллида Ni3Al, имеющий химический состав, мас.%:
| Al | 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 | 0,005-0,040 |
| С | 0,12-0,15 |
| Y | 0,3-0,4 |
| Ni | остальное |
(Патент РФ №2215054). Недостатками сплава-прототипа являются недостаточно высокие жаропрочность при температурах 1100-1200°С на базе 100 часов, жаростойкость при 1250°С (привес за 100 часов) и рабочая температура (1250°С).
Сплав предназначен для деталей камеры сгорания, высокотемпературного крепежа авиационных двигателей, резьбовых захватов испытательных машин и не может быть использован для лопаток турбин.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание сплава на основе интерметаллида Ni3Al, обладающего повышенной жаропрочностью при температурах 1100-1200°C на базе 100 часов и жаростойкостью при 1250°С, повышение его рабочей температуры до 1300°С, которая подтверждается значениями кратковременной прочности.
Для достижения поставленной технической задачи предложен сплав на основе интерметаллида Ni3Al, содержащий алюминий, хром, вольфрам, титан, цирконий, углерод, иттрий, никель, который дополнительно содержит лантан и бор при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Al | 8,0-10,8 |
| Cr | 4,0-6,0 |
| W | 1,5-5,5 |
| Ti | 1,0-1,4 |
| Zr | 0,03-0,05 |
| С | 0,15-0,20 |
| Y | 0,01-0,02 |
| La | 0,0015-0,0150 |
| В | 0,008-0,018 |
| Ni | остальное |
Авторами было установлено, что при введении в состав лантана и бора, при заявленном содержании и соотношениях компонентов в предлагаемом сплаве на основе интерметаллида Ni3Al наблюдается снижение содержания кислорода в расплаве и образование мелкодисперсной интерметаллидной и боридной фаз, при этом достигается наибольший эффект повышения жаропрочности сплава при температурах 1100-1200°C, жаростойкости при 1250°C, повышение рабочей температуры.
Примеры осуществления
Шихтовую заготовку из предлагаемого сплава 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.
С целью повышения жаропрочности сплава при высоких температурах, а также стабильности свойств механически обработанные образцы и детали термообрабатывали на воздухе по следующему режиму: отжиг при температуре 1150±10°C в течение 1 ч, охлаждение на воздухе.
Свойства предлагаемого сплава и сплава-прототипа, полученных по одной и той же технологической схеме, приведены в таблице 2.
Из таблицы 2 видно, что свойства предлагаемого сплава выше, чем свойства сплава-прототипа: жаропрочность при температуре 1100°С на базе испытания 100 часов на образцах с поликристаллической (равноосной) структурой (σ1100 100) - на 30,95-38,1%, с направленной столбчатой структурой - на 18,2-27,3%; жаропрочность при температуре 1200°C на базе испытания 100 часов с поликристаллической (равноосной) структурой (σ1200 100) - на 80,0-100%, с направленной столбчатой структурой - на 75,0-100%; жаростойкость при 1250°С на 24-36%; рабочая температура - на 50°С.
Использование предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni3Al повышает температуру газа перед турбиной, тягу двигателя, надежность деталей и увеличивает ресурс их работы.
| Таблица 1 | |||||||||||
| Составы предлагаемого сплава и сплава-прототипа | |||||||||||
| Состав | Содержание элементов, мас.% | ||||||||||
| Al | Cr | W | Ti | C | Zr | Y | La | В | Мо | Ni | |
| 1 | 8,0 | 4,0 | 1,5 | 1,0 | 0,15 | 0,03 | 0,01 | 0,0015 | 0,008 | - | ост. |
| 2 | 10,8 | 5,0 | 5,5 | 1,2 | 0,20 | 0,05 | 0,02 | 0,0150 | 0,018 | - | ост. |
| 3 | 9,4 | 6,0 | 3,5 | 1,4 | 0,18 | 0,04 | 0,015 | 0,0080 | 0,013 | - | ост. |
| прототип | 8,5 | 5,5 | 5,0 | 1,6 | 0,13 | 0,02 | 0,35 | - | - | 3,0 | ост. |
| Таблица 2 | |||||||
| Свойства предлагаемого сплава на основе и сплава-прототипа | |||||||
| № п/п | σ1100 100, МПа, PK |
σ1100 100 МПа, HK |
σ1200 100, МПа, PK |
σ1200 100 МПа, HK |
σв 1300 МПа, PK |
σв 1300 МПа, HK |
Привес за 100 ч при 1250°C |
| 1 | 55 | 68 | 22 | 35 | 20 | 60 | 19 |
| 2 | 56 | 65 | 20 | 40 | 22 | 65 | 16 |
| 3 | 58 | 70 | 20 | 38 | 25 | 70 | 18 |
| 4 - прототип | 42 | 55 | 10 | 20 | - | - | - |
Сплав на основе интерметаллида Ni3Al, содержащий алюминий, хром, вольфрам, титан, цирконий, углерод, иттрий, никель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит лантан и бор при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Al | 8,0-10,8 |
| Cr | 4,0-6,0 |
| W | 1,5-5,5 |
| Ti | 1,0-1,4 |
| Zr | 0,03-0,05 |
| С | 0,15-0,20 |
| Y | 0,01-0,02 |
| La | 0,0015-0,0150 |
| В | 0,008-0,018 |
| Ni | остальное |
