Интерметаллидный сплав на основе системы никель-алюминий-кобальт

Авторы патента:

Летников Михаил Николаевич (RU)

Ломберг Борис Самуилович (RU)

Овсепян Сергей Вячеславович (RU)

Каблов Евгений Николаевич (RU)

C22C30/00 - Сплавы, содержащие менее 50% по массе каждого компонента

C22C19/05 - с хромом

Владельцы патента RU 2603415:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU)

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным сплавам, предназначенным для деталей, работающих при температурах до 1000^oC в газотурбинных двигателях. Сплав на основе системы никель-алюминий-кобальт содержит, мас.%: никель 50,0-62,0, кобальт 18,0-28,0, алюминий 7,5-7,8, хром 1,8-4,8, титан 2,2-2,6, тантал 1,9-3,3, вольфрам 2,5-3,1, углерод 0,01-0,05, бор 0,005-0,03, магний 0,003-0,03, лантан 0,003-0,06, церий 0,001-0,02. Сплав характеризуется низкой плотностью и высокими эксплуатационными характеристиками. Повышается рабочая температура сплава до 1000°С со средним значением длительной прочности при 1000°С и на базе испытаний 100 часов (σ₁₀₀ ¹⁰⁰⁰) не менее 118 МПа, со значением предела прочности σ_в при 800°С не менее 560 МПа, со значением предела текучести σ_0,2 не менее 500 МПа при температуре испытаний 800°С и пониженной до 8 г/см³ плотностью. 2 з.п. ф-лы, 2 табл., 3 пр.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным сплавам, предназначенным для деталей, работающих при температурах до 1000°С в газотурбинных двигателях, в частности дисков, роторов и других деталей малоразмерных газотурбинных двигателей, в том числе литых, получаемых методом направленной кристаллизации, горячей деформацией и методами порошковой металлургии.

Повышение технических характеристик газотурбинных двигателей (ГТД), в том числе малоразмерных, возможно за счет повышения рабочей температуры в турбине ГТД и снижения веса деталей горячего тракта двигателя. Разработка сплавов для дисков и др. деталей, обеспечивающих увеличение рабочей температуры и/или снижение веса, является одной из важнейших задач авиационного материаловедения. Применение сплавов с более высокими температурами эксплуатации и меньшим весом в конструкции двигателя позволяет повысить тягу, снизить расход топлива и вредные выбросы в атмосферу.

Известен суперсплав на основе никеля, содержащий, мас. %: алюминий - 3,0-4,0, бор - 0,02-0,04, углерод - 0,02-0,05, хром - 12,0-14,0, кобальт 19,0-22,0, молибден - 2,0-3,5, ниобий - больше 1,0-2,1, тантал - больше 1,3-2,1, титан -3,0-4,0, вольфрам - 4,1 до 5,0, цирконий - 0,03-0,06, никель - остальное (US 6974508 В1, 13.12.2005).

Известен жаропрочный порошковый сплав на основе никеля, содержащий, мас. %: углерод 0,02-0,10; хром 9,0-11,0; кобальт 14,0-16,0; вольфрам 5,2-6,8; молибден 3,0-3,9; титан 3,0-3,9; алюминий 3,2-4,5; ниобий 1,2-2,4; гафний 0,05-0,5; бор 0,005-0,05; цирконий 0,001-0,05; магний 0,001-0,05; марганец 0,001-0,5; кремний 0,001-0,5; железо 0,001-1,0; никель - остальное (RU 2294393 С1, 27.02.2007).

Недостатком описанных сплавов является их низкая рабочая температура (до 800°С). Данное ограничение связано с началом растворения упрочняющей γ′-фазы при температуре свыше 800°С и, как следствие, с падением прочностных характеристик.

Наиболее близким аналогом является жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий алюминий, кобальт или железо, а также не менее одного элемента из группы: титан, тантал, ниобий, молибден, хром, один или несколько элементов из группы: скандий, церий, лантан, магний, бор, при следующих соотношениях, мас. %: Со или Fe - 25-50%, Al - 10-17%, не менее одного элемента из группы: Мо - 3-10%, Cr - 3-20%, Ti - 3-10%, Nb - 1-6%, Та - 1-5%, не менее одного элемента из группы: Sc, Се, La, Mg, В - 0,01-0,1%, никель - остальное (RU 2070601 С1, 20.12.1996).

Недостатком сплава-прототипа является присутствие в структуре β-фазы, которая некогерентна по отношению ко второй фазовой составляющей сплава γ - твердому раствору, что является негативным фактором и приводит к разрушению сплава по межфазным границам под нагрузкой.

Технической задачей предложенного изобретения является разработка жаропрочного интерметаллидного сплава на основе системы никель-алюминий-кобальт с низкой плотностью и повышенными эксплуатационными характеристиками.

Техническим результатом предложенного изобретения является повышение рабочей температуры жаропрочного интерметаллидного сплава на основе системы никель-алюминий-кобальт до 1000°С со средним значением длительной прочности при 1000°С и на базе испытаний 100 часов (σ₁₀₀ ¹⁰⁰⁰) не менее 137 МПа, со значением предела прочности σ_в при 800°С не менее 560 МПа, со значением предела текучести σ_0,2 не менее 500 МПа при температуре испытаний 800°С и пониженной до 8 г/см³ плотностью.

Для достижения технического результата предложен сплав на основе системы никель-алюминий-кобальт, включающий никель, кобальт, алюминий, хром, титан, тантал, бор, магний, лантан, церий и скандий, при этом он дополнительно содержит вольфрам и углерод при следующем соотношении компонентов, мас. %:

никель	50,0 - 62,0
кобальт	18,0-28,0
алюминий	7,5-7,8
хром	1,8-4,8
титан	2,2-2,6
тантал	1,9-3,3
вольфрам	2,5-3,1
углерод	0,01-0,05
бор	0,005 - 0,03
магний	0,003 - 0,03
лантан	0,003 - 0,06
церий	0,001-0,02

Сплав может дополнительно содержать скандий в количестве до 0,05 мас. %.

Основу предложенного сплава составляет γ′-фаза на основе соединения (Ni,Co,Cr)3(Al,Ti,Ta,W) различной морфологии и γ - твердый раствор на основе никеля и кобальта, также в сплаве присутствуют карбиды типа МеС. Содержание кобальта в количестве 18-28 мас. % обеспечивает пластичность сплава, что позволяет получать из него заготовки методом деформации в изотермических условиях. Содержание алюминия в количестве 7,5-7,8 мас. % позволяет достичь более высокой жаростойкости сплава за счет образования на поверхности при высоких температурах защитной окисной пленки Al₂O₃. За счет введения углерода в металле формируется карбидная фаза, которая обеспечивает дополнительное упрочнение сплава.

Легирование сплава вольфрамом и танталом повышает стабильность и механические свойства сплава при высоких температурах. Тантал в основном входит в состав γ′-фазы и увеличивает ее стабильность при высоких температурах, вольфрам преимущественно распределяется в γ - твердом растворе и повышает его прочность. Предпочтительное суммарное содержание в сплаве вольфрама и тантала, при котором достигается наилучшая жаропрочность, составляет от 5,0 до 5,9 мас. %.

Сплав может дополнительно содержать скандий в количестве до 0,05 мас. %.

Примеры.

С целью практической реализации изобретения в лабораторных условиях выплавлены три плавки в вакуумно-индукционной печи. Химический состав представлен в таблице 1. Полученные слитки обточили, обрезали прибыльную часть и переплавили методом высокоградиентной кристаллизации в заготовки диаметром 15-16 мм и высотой 210-230 мм. Затем заготовки термообработали (закалка и двухступенчатое старение), после чего изготовили образцы для проведения испытаний.

Образцы испытывали на длительную прочность в соответствии с ГОСТ 10145, кратковременную прочность (предел прочности и предел текучести) по ГОСТ 1497, жаростойкость по ГОСТ 6130, плотность определяли методом гидростатического взвешивания по ГОСТ 20018. Свойства предлагаемого интерметаллидного сплава на основе Ni-Al-Co и сплава-прототипа приведены в таблице 2. Из представленных данных видно, что по пределу прочности и пределу текучести при 800°С предлагаемый интерметаллидный сплав на основе Ni-Al-Co превосходит сплав-прототип. Работоспособность сплава при 1000°С подтверждается значениями времени до разрушения (τ) при испытаниях на длительную прочность при Т_исп.=1000°С и нагрузке 137 МПа и высокой жаростойкостью при температурах до 1100°С.

1. Сплав на основе системы никель-алюминий-кобальт, содержащий никель, кобальт, алюминий, хром, титан, тантал, бор, магний, лантан и церий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит вольфрам и углерод при следующем соотношении компонентов, мас.%:

никель	50,0-62,0
кобальт	18,0-28,0
алюминий	7,5-7,8
хром	1,8-4,8
титан	2,2-2,6
тантал	1,9-3,3
вольфрам	2,5-3,1
углерод	0,01-0,05
бор	0,005-0,03
магний	0,003-0,03
лантан	0,003-0,06
церий	0,001-0,02

2. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что суммарное содержание вольфрама и тантала составляет 5,0-5,9 мас.%.

3. Сплав по п. 1 или 2, отличающийся тем, что он дополнительно содержит скандий в количестве до 0,05 мас.%.

Изобретение относится к области металлургии жаропрочных свариваемых деформируемых сплавов и изделий, выполненных из этих сплавов, и может быть использовано для изготовления элементов камеры сгорания, сопла и других узлов газотурбинных двигателей и установок, работающих до температуры 1250°C.

Способ изготовления изделий из сплавов железо-кобальт-молибден/вольфрам-азот // 2599926

Изобретение относится к области металлургии, а именно к изготовлению высокоточных изделий. Заготовка для инструмента изготовлена из дисперсионно-упрочненного сплава Fe-Co-Mo/W-N, содержащего, мас.%: кобальт 15,0 до 30,0, молибден до 20,0, вольфрам до 25,0, при этом (Мо+W/2) 10,0 до 22,0, азот 0,005 до 0,12, железо и примеси - остальное.

Жаропрочный никелевый сплав для получения изделий методом металлургии гранул // 2590792

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным никелевым сплавам для получения изделий, производимых методом металлургии гранул и предназначенных для работы при высоких нагрузках и температурах, например в газотурбинных двигателях.

Оправка прошивного стана // 2584620

Изобретение относится к оправке прошивного стана. Прошивная оправка содержит корпус оправки, Ni-Cr-слой, сформированный на поверхности корпуса оправки, и напыленное покрытие, сформированное на поверхности Ni-Cr-слоя.

Жаропрочный сплав // 2583188

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам жаропрочных сплавов, используемых для изготовления коллекторов и реакционных труб нефтегазоперерабатывающих установок с рабочими режимами при температуре 800-1080°С при давлении до 46 атм.

Жаропрочный сплав // 2581936

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным сплавам, и может быть использовано для изготовления коллекторов и реакционных труб нефтегазоперерабатывающих установок с рабочими режимами при температуре от плюс 1000°С до плюс 1200°С и давлении до 46 атмосфер.

Жаропрочный сплав // 2581323

Изобретение относится к области металлургии, а именно составам жаропрочных сплавов, используемых для изготовления коллекторов и реакционных труб нефтегазоперерабатывающих установок с рабочими режимами при температуре от плюс 700°С до плюс 980°С, при давлении до 46 атм.

Жаропрочный сплав // 2581322

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным сплавам, используемым для изготовления реакционных труб установок производства водорода, метанола, аммиака и др.

Жаропрочный сплав // 2581321

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам жаропрочных сплавов, используемых для изготовления реакционных труб установок производства водорода, метанола, аммиака и др.

Жаропрочный сплав // 2581318

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочному сплаву, используемому для изготовления реакционных труб установок производства водорода, метанола, аммиака и др.

Присадочный материал на основе никеля // 2602570

Изобретение относится к сплавам на основе никеля в качестве присадочного материала, предназначенного для изготовления деталей и узлов наиболее высокотемпературных зон горячего тракта перспективных двигателей, длительно работающих при температурах до 1200°С.

Жаропрочный свариваемый сплав на основе кобальта и изделие, выполненное из него // 2601720

Высокотемпературный ni-mo-cr сплав с низким тепловым расширением // 2601024

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам на основе никель-молибден-хром-вольфрам, работающим при повышенных температурах и пригодным для применения в газотурбинных двигателях.

Хромоникелевоалюминиевый сплав с хорошими показателями обрабатываемости, предела ползучести и коррозионной стойкости // 2599324

Изобретение относится к области металлургии, а именно к хромоникелевоалюминиевому сплаву. Сплав содержит в мас.%: более 25 до 33 хрома, от 1,8 до менее 3,0 алюминия, от 0,10 до менее 2,5 железа, 0,001-0,50 кремния, 0,005-2,0 марганца, 0,00-0,60 титана, по 0,0002-0,05 каждого из магния и/или кальция, 0,005-0,12 углерода, 0,001-0,050 азота, 0,0001-0,020 кислорода, 0,001-0,030 фосфора, не более 0,010 серы, не более 2,0 молибдена, не более 2,0 вольфрама, остальное - никель и обычные, технологически обусловленные примеси.

Сплав, защитное покрытие и конструктивный элемент // 2591096

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам для защитных покрытий для защиты конструктивного элемента от коррозии и/или окисления. Сплав на основе никеля для защиты конструктивного элемента газовой турбины от коррозии и/или окисления при высоких температурах содержит, в вес.%: от более 22 до менее 24 кобальта (Со), от 14 до менее 16 хрома (Cr), 10,5-11,5 алюминия (Al), 0,2-0,4, по меньшей мере одного элемента из группы, включающей в себя скандий (Sc) и редкоземельные элементы, в частности иттрий (Y), при необходимости от 0,3 до 0,9 тантала (Та), никель (Ni) - остальное.

Жаропрочный никелевый сплав для получения изделий методом металлургии гранул // 2590792

Сплав на основе интерметаллида ni3al и изделие, выполненное из него // 2588949

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным жаропрочным сплавам на основе интерметаллида Ni3Al, предназначенным для изготовления методом направленной кристаллизации и монокристаллического литья деталей горячего тракта газотурбинных двигателей авиационной промышленности.

Жаропрочный сплав на основе никеля для литья с равноосной структурой интегральных колес и рабочих лопаток // 2585148

Изобретение относится к металлургии, в частности к литейным коррозионностойким жаропрочным сплавам на основе никеля, и может быть использовано для изготовления литьем изделий с равноосной структурой, работающих в агрессивных средах при температурах 600-800°C, например интегральных колес и лопаток турбокомпрессоров турбонаддува дизелей, а также рабочих лопаток горячего тракта.

Оправка прошивного стана // 2584620

Жаропрочный сплав // 2581936

Хромоникелевый сплав с хорошими показателями обрабатываемости, предела ползучести и коррозионной стойкости // 2605022

Изобретение относится к области металлургии, а именно к хромоникелевому сплаву, и может быть использовано при строительстве печей, а также в химической и нефтехимической отраслях промышленности. Хромоникелевый сплав содержит, в мас. %: 29 - 37 хрома, 0,001 - 1,8 алюминия, 0,10 - 7,0 железа, 0,001 - 0,50 кремния, 0,005 - 2,0 марганца, до 1,00 титана, до 1,10 ниобия, 0,0002 - 0,05 магния, 0,0002 - 0,05 кальция, 0,005 - 0,12 углерода, 0,001 - 0,050 азота, 0,001 - 0,030 фосфора, 0,0001 - 0,020 кислорода, не более 0,010 серы, не более 2,0 молибдена, не более 2,0 вольфрама, при необходимости, от 0,0001 до 0,008 бора, остальное - никель и примеси. Выполнены следующие соотношения: Cr + Al >30, Fp ≤ 39,9, где Fp= Cr + 0,272·Fe + 2,36·Al + 2,22·Si + 2,48·Ti +1,26·Nb + 0,374·Mo + 0,538·W - 11,8·C. Сплав характеризуется высокими показателями высокотемпературной коррозионной стойкости в науглероживающей атмосфере, жаропрочности и предела ползучести. 5 н. и 21 з.п. ф-лы, 4 ил., 6 табл.