Сплав на основе интерметаллида ni3al и способ его получения
Владельцы патента RU 2775419:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт" - ВИАМ) (RU)
Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным жаропрочным сплавам на основе интерметаллида Ni3Al и способам получения отливок из них методом направленной кристаллизации с монокристаллической структурой для изготовления деталей горячего тракта газотурбинных двигателей авиационного назначения. Жаропрочный литейный сплав содержит, мас.%: алюминий 8,0-9,0, хром 5,0-6,5, вольфрам 2,5-4,5, молибден 3,0-4,5, титан 0,8-1,5, цирконий 0,01-0,08, кобальт 0,1-0,5, лантан 0,005-0,05, кальций 0,001-0,01, никель и неизбежные примеси – остальное. Способ получения жаропрочного литейного сплава на основе интерметаллида Ni3Al включает вакуумную индукционную выплавку интерметаллидного сплава, вакуумный индукционный переплав методом высокоградиентной направленной кристаллизации с монокристаллической структурой. При вакуумной индукционной выплавке проводят расплавление в вакууме шихтовых материалов, присадку в расплав активных легирующих и рафинирующих добавок, причем в качестве шихтовых материалов используют никель, хром, вольфрам, молибден и кобальт, количество которого составляет 0,1-0,5 мас.%, в качестве активных легирующих добавок в расплав вводят алюминий, титан и цирконий, а в качестве рафинирующих добавок в расплав последовательно вводят кальций в количестве 0,001-0,01 мас.% и лантан в количестве 0,005-0,05 мас.%. Литейный жаропрочный сплав на основе интерметаллида Ni3Al с монокристаллической структурой КГО <001> обладает повышенной статической долговечностью при температурах 800, 900 и 1000°С и термоциклической долговечностью в интервале температур 100 ↔ 850°С и 100 ↔ 1050°С и высоким выходом годного. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 табл., 3 пр.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным жаропрочным сплавам на основе интерметаллида Ni3Al и способам получения отливок из них методом направленной кристаллизации с монокристаллической структурой для изготовления деталей горячего тракта газотурбинных двигателей авиационного назначения, например, сопловых и рабочих лопаток, элементов камеры сгорания, створок и проставок регулируемого сопла и др.
Известен коррозионностойкий сплав на основе никеля (CN 102171373 В, С22С 19/05, опубл. 19.06.2013) со следующим химическим составом, мас. %:
| С | ≤0,1 |
| Si | ≤1,0 |
| Mn | ≤1,0 |
| Cr | ≤15-28 |
| Fe | ≤15,0 |
| W | 5-20 |
| Al | 0,5-2,0 |
| Ti | 0,5-2,0 |
| Nd | 0,001-0,1 |
| В | 0,005-0,01 |
| Ni и примеси | остальное |
Сплав предназначен для применения в паронагревательных установках и для химической промышленности, но его рабочая температура ограничена 700°С.
Известен сплав на основе интерметаллида Ni3Al, а также и изделие, выполненное из этого сплава (RU 2304179 C1, С22С 19/05, опубл. 10.08.2007) со следующим химическим составом, мас. %:
| Al | 8,0-9,0 |
| Cr | 4,5-6,5 |
| W | 2,0-4,2 |
| Мо | 2,5-4,5 |
| Ti | 1,0-2,0 |
| С | 0,10-0,18 |
| Hf | 0,40-0,60 |
| Ni | остальное |
Изделие, сопловые лопатки и блоки сопловых лопаток отливаются методом точного литья по выплавляемым моделям, имеют поликристаллическую структуру и ограниченный ресурс эксплуатации при температурах 1200-1250°С.
Известен сплав на основе интерметаллида Ni3Al (RU 2198233 С2, С22С 19/05, опубл. 10.02.2003) со следующим химическим составом, мас. %:
| Al | 7,8-9,0 |
| Cr | 5,0-6,5 |
| W | 2,7-4,0 |
| Мо | 3,0-4,0 |
| Ti | 0,8-1,2 |
| С | 0,001-0,005 |
| Sn | 0,03-0,05 |
| Zr | 0,05-0,5 |
| Ni | остальное |
Изделие, выполненное из этого сплава, например, элементы камеры сгорания, створки и проставки регулируемого сопла и др., изготовленное методом направленной кристаллизации с дендритной столбчатой или монокристаллической структурами, имеет недостаточно высокий выход годного, что в свою очередь снижает коэффициент использования металла (КИМ) в изделии.
Известен способ получения отливок из литейного интерметаллидного никелевого сплава с монокристаллической структурой кристаллографической ориентации (КГО) <111> с использованием перегрева расплава в тигле и контроля скорости охлаждения сплава при кристаллизации (RU 2254962 C1, B22D 27/04, опубл. 27.06.2005), который обеспечивает повышение механических свойств сплавов за счет создания оптимальной структуры в процессе литья и высокий выход годного. Однако, при изготовлении отливок из интерметаллидного никелевого сплава с монокристаллической структурой КГО <001> выход годного по монокристаллической структуре значительно снижается и сплав имеет недостаточно высокую статическую долговечность в диапазоне температур 800-И 000°С.
В патенте US 5312584 А, С30В 11/00, опубл. 17.05.1994, представлен нетрадиционный способ получения монокристаллических отливок - лопаток, в т.ч. и с транспирационным охлаждением, из никель-алюминида с применением в качестве источника энергии импульсов лазера без использования традиционных форм и стержней. Однако, при изготовлении отливок из литейного интерметаллидного никелевого сплава в промышленных условиях такой экзотический способ не пригоден из-за его высокой трудоемкости.
Известен метод получения интерметаллидного никелевого монокристаллического сплава с использованием затравочного кристалла (CN 101255604 А, В22С 9/04, опубл. 03.09.2008). Такой способ, при перенесении его в серийное производство, является трудозатратным.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип (RU 2078443 С1, С22С 19/05 опубл. 27.04.1997) является сплав на основе никеля, имеющий следующим химический состав, мас. %:
| Al | 7,8-9,5 |
| Cr | 5,0-7,0 |
| W | 2,7-4,5 |
| Mo | 3,0-4,3 |
| Ti | 1,3-2,0 |
| С | 0,001-0,02 |
| Zr | 0,05-0,04 |
| Ni | остальное |
Изделие, выполненное из этого сплава, например, охлаждаемые сопловые лопатки, блоки сопловых лопаток, охлаждаемые рабочие лопатки и др., изготовленное методом направленной кристаллизации с монокристаллической структурой кристаллографической ориентации (КГО) <001>, имеет пониженную статическую долговечность в диапазоне температур 800÷1000°С и недостаточную термоциклическую долговечность в интервале температур 100 ↔ 850°С и 100 ↔ 1050°С, что снижает ресурс работы изделия, и неудовлетворительный выход годного.
Техническая задача заявленного изобретения заключается в разработке литейного жаропрочного сплава на основе интерметаллида Ni3Al с монокристаллической структурой кристаллографической ориентации <001> и способа его получения, обладающего повышенными характеристиками статической и термоциклической долговечности при средних температурах.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является разработка литейного жаропрочного сплава на основе интерметаллида Ni3Al с монокристаллической структурой КГО <001> и способа его получения, заключающегося в изготовлении отливок методом высокоградиентной направленной кристаллизации с температурным градиентом на фронте кристаллизации 80÷150°С/см и обладающего повышенной статической долговечностью (по времени до разрушения) при температурах 800, 900 и 1000°С и термоциклической долговечностью (по количеству циклов до разрушения) в интервале температур 100 ↔ 850°С и 100 ↔ 1050°С и высоким выходом годного.
Для достижения поставленного технического результата предложен жаропрочный литейный сплав на основе интерметаллида Ni3Аl, содержащий алюминий, никель, хром, вольфрам, молибден, титан, цирконий, при этом он дополнительно содержит кобальт, лантан и кальций при следующем соотношении компонентов, мас. %:
| алюминий | 8,0-9,0 |
| хром | 5,0-6,5 |
| вольфрам | 2,5-4,5 |
| Молибден | 3,0-4,5 |
| титан | 0,8-1,5 |
| цирконий | 0,01-0,08 |
| кобальт | 0,1-0,5 |
| лантан | 0,005-0,05 |
| кальций | 0,001-0,01 |
| никель и неизбежные примеси | остальное |
Заявлен также способ получения вышеприведенного жаропрочного литейного сплава на основе интерметаллида Ni3Аl, включающий вакуумную индукционную выплавку интерметаллидного сплава, вакуумный индукционный переплав методом высокоградиентной направленной кристаллизации с монокристаллической структурой, при этом при вакуумной индукционной выплавке проводят расплавление в вакууме шихтовых материалов, присадку в расплав активных легирующих и рафинирующих добавок, причем в качестве шихтовых материалов используют никель, хром, вольфрам, молибден и кобальт, количество которого составляет 0,1-0,5 мас. %, в качестве активных легирующих добавок в расплав вводят алюминий, титан и цирконий, а в качестве рафинирующих добавок в расплав последовательно вводят кальций в количестве 0,001-0,01 мас. % и лантан в количестве 0,005-0,05 мас. %.
Предпочтительно, вакуумный индукционный переплав проводят методом высокоградиентной направленной кристаллизации с температурным градиентом на фронте кристаллизации 80÷150°С/см с монокристаллической структурой кристаллографической ориентации <001>.
Предпочтительно, при вакуумном индукционном переплаве расплав перегревают на 200-260°С выше температуры ликвидуса сплава, выдерживают в индукционном тигле в течение 1-3 мин и заливают в керамические формы, прогретые в печи подогрева до температур на 200-260°С выше температуры ликвидуса сплава.
Предпочтительно, заливку расплава при высокоградиентной направленной кристаллизации проводят в керамические формы с монокристаллической затравкой кристаллографической ориентации <001>.
Предпочтительно, после заливки расплава в керамические формы их перемещают со скоростью 5÷10 мм/мин в ванну охлаждения.
Интерметаллидное соединение Ni3Аl (γ'-фаза) имеет упорядоченную гранецентрированную кубическую решетку (ГЦК) типа L12, способное растворять в себе по принципу замещения переходные металлы с сохранением высокой степени порядка и координации структуры L12. Позицию никеля замещают атомы Со, Cr, Mo, W; позицию алюминия - Ti, Zr, Cr, Mo, W в кристаллической решетке соединения Ni3Аl по степени снижения способности замещения. Согласно теории гетерофазного строения интерметаллидный сплав должен быть несколько разупорядочен (иметь степень порядка S<1), что достигается легированием или воздействием термической обработки, при этом фазовый состав будет распадаться с выделением неупорядоченной γ-фазы в количестве ~10-15% (по массе), что способствует формированию самоорганизующейся структуры. Образование неупорядоченной γ-фазы в некоторой степени решает вопрос повышенной хрупкости интерметаллидного соединения при комнатной температуре. Легирующие элементы Со, Cr, Mo, W в первую очередь будут замещать позицию Ni в γ-твердом растворе никеля. Дополнительно легируя литейный интерметаллидный сплав кобальтом в количестве 0,1-0,5% масс., мы изменяем соотношение фаз в сплаве в сторону увеличения содержания γ-фазы, таким образом, обеспечивая технологическую пластичность при отливке полуфабрикатов. Кобальт также снижает энергию дефектов упаковки структуры и затрудняет поперечное скольжение дислокаций, что приводит к повышению термоциклической долговечности в интервалах температур 100 ↔ 850°С и 100 ↔ 1050°С. Введение лантана в количестве 0,005-0,05% масс, при заявленных пределах легирования основными элементами, в частности, алюминием и хромом, способствует образованию сложной оксидной пленки типа NiО•CrАl2O4, плотно прилегающей к основному сплаву и сохраняющей свою сплошность до 1200°С, что положительно сказывается на термоциклической долговечности сплава. Частицы с повышенным содержанием лантана препятствуют продвижению дислокаций и распространению трещины по границам дендритов, что благоприятно отражается на статической долговечности при температурах 800, 900 и 1000°С. Кальций в заявленных количествах 0,001-0,01% масс. вводится для рафинирования расплава, снижения содержание газов, в первую очередь, кислорода.
Пример 1. Выплавку литейного жаропрочного сплава на основе интерметаллида Ni3Аl проводили на чистых шихтовых материалах вакуумным индукционным методом. После расплавления шихты при температуре 1550-1570°С, состоящей из никеля, хрома, вольфрама, молибдена и кобальта, производили последовательно присадку титана, циркония и алюминия при температуре 1450-1470°С, затем проводили рафинирование поочередно кальцием и лантаном в виде лигатур никель- кальций и никель-лантан. Отливку заготовок под образцы проводили вакуумным индукционным методом на установке для высокоградиентной направленной кристаллизации, в которой в качестве охладителя используется жидкое олово. Предварительно в керамические формы помещали монокристаллические затравки кристаллографической ориентации <001>. Навеску от прутковой (шихтовой) заготовки жаропрочного интерметаллидного сплава расплавляли в индукционном тигле, при этом температура расплава достигала Т=1580÷1600°С, жидкий металл перед сливом выдерживали в тигле 1÷2 мин, затем расплав сливали в керамическую форму нагретую в печи подогрева форм до Т=1580÷1600°С. Керамическую форму с залитым в нее жидким металлом перемещали в ванну охлаждения со скоростью 5÷6 мм/мин при температурном градиенте на фронте кристаллизации 80°С/см. После охлаждения формы и удаления керамики литые заготовки под образцы отрезали от подложки и подвергали травлению в смеси соляной кислоты и перекиси водорода на наличие макрограниц. А отрезанные конуса, к которым передавалась кристаллографическая ориентация <001> от затравок, подвергали проверке на разориентацию рентгеноструктурным методом. Установлено после макротравления и контроля затравок, что 9 литых прутков из 10 имеют монокристаллическую структуру с КГО <001> с минимальной разориентацией субзерен от 3 до 5°.
Пример 2. Выплавку литейного жаропрочного сплава на основе интерметаллида Ni3Аl проводили на чистых шихтовых материалах вакуумным индукционным методом с экспресс-анализом по основным легирующим элементам и возможностью дошихтовки в процессе плавки. После расплавления шихты при температуре 1550-1570°С, состоящей из никеля, хрома, вольфрама, молибдена и кобальта, производили последовательно присадку титана, циркония и алюминия при температуре 1460-1480°С, затем проводили рафинирование поочередно кальцием и лантаном в виде лигатур никель-кальций и никель-лантан. Отливку заготовок под образцы проводили вакуумным индукционным методом на установке для высокоградиентной направленной кристаллизации, в которой в качестве охладителя используется жидкое олово. Навеску от прутковой (шихтовой) заготовки жаропрочного интерметаллидного сплава расплавляли в индукционном тигле, при этом температура расплава достигала Т=1600÷1620°С, жидкий металл перед сливом выдерживали в тигле 1+2 мин, затем расплав сливали в керамическую форму нагретую в печи подогрева форм до Т=1600÷1620°С. Керамическую форму с залитым в нее жидким металлом перемещали в ванну охлаждения со скоростью 7÷8 мм/мин при температурном градиенте на фронте кристаллизации 120°С/см. После макротравления и контроля затравок установлено, что 9 литых прутков из 10 имеют монокристаллическую структуру с КГО <001>, а на десятом прутке от середины его длины появляется субзерно с разориентацией до 10°.
Пример 3. Выплавку литейного жаропрочного сплава на основе интерметаллида Ni3Аl проводили на чистых шихтовых материалах вакуумным индукционным методом. После расплавления шихты при температуре 1550-1570°С, состоящей из никеля, хрома, вольфрама, молибдена и кобальта, производили последовательно присадку титана, циркония и алюминия при температуре 1480-1500°С, затем проводили рафинирование поочередно кальцием и лантаном в виде лигатур никель-кальций и никель-лантан. Отливку заготовок под образцы проводили вакуумным индукционным методом на установке для высокоградиентной направленной кристаллизации, которая помимо ванны охлаждения оснащена тепловыми экранами. Навеску от прутковой (шихтовой) заготовки жаропрочного интерметаллидного сплава расплавляли в индукционном тигле, при этом температура расплава достигала Т=1620÷1640°С, жидкий металл перед сливом выдерживали в тигле 1+2 мин, затем расплав сливали в керамическую форму нагретую в печи подогрева форм до Т=1620÷1640°С. Керамическую форму с помещенными в нее затравками КГО <001> и залитым жидким сплавом перемещали в ванну охлаждения со скоростью 8÷10 мм/мин при температурном градиенте на фронте кристаллизации 150°С/см. После макротравления и контроля затравок установлено, что все 10 литых прутков имеют монокристаллическую структуру с КГО <001> с минимальной разориентацией субзерен от 3 до 5°.
Составы предлагаемого жаропрочного литейного сплава на основе интерметаллида Ni3Аl и режимы его получения представлены в таблице №1. Свойства, в частности статическая и термоциклическая долговечность и выход годного, полученных образцов из жаропрочного литейного сплава на основе интерметаллида Ni3Аl и сплава-прототипа приведены в таблице №2.
Из таблицы №2 видно, что свойства предлагаемого жаропрочного литейного сплава на основе интерметаллида Ni3Аl, изготовленного по предлагаемому способу, выше, чем свойства образцов сплава-прототипа: статическая долговечность по времени до разрушения при температуре 800°С и напряжении 480 МПа - на 40,2-55,9%; статическая долговечность по времени до разрушения при температуре 900°С и напряжении 260 МПа - на 34,0-44,0%; статическая долговечность по времени до разрушения при температуре 1000°С и напряжении 150 МПа - на 26,7-36,2%; термоциклическая долговечность в интервале температур 100 ↔ 850°С, при размахе напряжения 1080 МПа - на 49,7-53,8%; термоциклическая долговечность в интервале температур 100 ↔ 1050°С, при размахе напряжения 590 МПа - на 32,3-36,7%; выход годного - на 35,7%.
Использование предлагаемого жаропрочного литейного сплава на основе интерметаллида Ni3Аl, полученного по предлагаемому способу, для изготовления изделий, в частности, охлаждаемых сопловых лопаток, блоков сопловых лопаток, охлаждаемых рабочих лопаток и др., позволяет повысить прочностные характеристики по сравнению с серийными материалами ~ на 30%, что соответственно увеличит ресурс их работы, а повышение выхода годного - на 35,7% при изготовлении отливок по предлагаемому способу увеличивает КИМ изделия.
1. Жаропрочный литейный сплав на основе интерметаллида Ni3Al, содержащий алюминий, хром, вольфрам, молибден, титан, цирконий, никель и неизбежные примеси, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кобальт, лантан и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| алюминий | 8,0-9,0 |
| хром | 5,0-6,5 |
| вольфрам | 2,5-4,5 |
| молибден | 3,0-4,5 |
| титан | 0,8-1,5 |
| цирконий | 0,01-0,08 |
| кобальт | 0,1-0,5 |
| лантан | 0,005-0,05 |
| кальций | 0,001-0,01 |
| никель и неизбежные примеси | остальное |
2. Способ получения жаропрочного литейного сплава на основе интерметаллида Ni3Al по п. 1, включающий вакуумную индукционную выплавку интерметаллидного сплава, вакуумный индукционный переплав методом высокоградиентной направленной кристаллизации с монокристаллической структурой, при этом при вакуумной индукционной выплавке проводят расплавление в вакууме шихтовых материалов, присадку в расплав активных легирующих и рафинирующих добавок, причем в качестве шихтовых материалов используют никель, хром, вольфрам, молибден и кобальт, количество которого составляет 0,1-0,5 мас.%, в качестве активных легирующих добавок в расплав вводят алюминий, титан и цирконий, а в качестве рафинирующих добавок в расплав последовательно вводят кальций в количестве 0,001-0,01 мас.% и лантан в количестве 0,005-0,05 мас.%.
3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что вакуумный индукционный переплав проводят методом высокоградиентной направленной кристаллизации с температурным градиентом на фронте кристаллизации 80-150°С/см с монокристаллической структурой кристаллографической ориентации <001>.
4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что при вакуумном индукционном переплаве расплав перегревают на 200-260°С выше температуры ликвидуса сплава, выдерживают в индукционном тигле в течение 1-3 мин и заливают в керамические формы, прогретые в печи подогрева до температур на 200-260°С выше температуры ликвидуса сплава.
5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что заливку расплава при высокоградиентной направленной кристаллизации проводят в керамические формы с монокристаллической затравкой кристаллографической ориентации <001>.
6. Способ по п. 4, отличающийся тем, что после заливки расплава в керамические формы их перемещают со скоростью 5-10 мм/мин в ванну охлаждения.
