3
СПЛАВ НА ОСНОВЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДА NiAl
3
ALLOY ON BASE OF INTER-METALLIDE NiAl

3
Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным сплавам на основе интерметаллида NiAl, получаемым методом направленной кристаллизации и монокристаллического литья, применяемым для изготовления деталей газотурбинных двигателей, таких как сопловые и рабочие лопатки, блоки сопловых лопаток, сегменты камеры сгорания, форсунки и другие, для авиационной и автомобильной промышленности.
3
Известен сплав на основе интерметаллида NiAl следующего химического состава, мас.%:
Al
7,65-8,45
Cr
3,85-7,6
Mo
6,2-9,65
Zr
0,01-0,3
B
0,01-0,3
Ni
остальное
(патент US №6106640)
Недостатками этого сплава являются низкая (1-2%) пластичность в диапазоне температур 20-700°С и недостаточная жаростойкость при температурах 1000-1100°С.
Изделия из этого сплава используются для наземных силовых установок с ограниченным ресурсом работы.
3
Известен сплав на основе интерметаллида NiAl следующего химического состава, мас.%:
Al
7,7-8,7
Cr
5,0-6,0
Co
4,0-6,0
W
2,5-3,5
Mo
4,5-5,5
Re
1,2-1,8
Ti
0,3-0,8
C
0,001-0,02
Zr
0,05-0,5
La
0,002-0,20
Ni
остальное
(патент РФ №2256716)
Этот сплав обладает недостаточными кратковременной прочностью и жаропрочностью при температуре 1200°С и не работоспособен при температуре выше 1200°С.
Изделия из этого сплава, например рабочие или сопловые лопатки ГТД, имеют короткий ресурс работы, а также ограничена номенклатура отливаемых деталей.
3
Известен сплав на основе интерметаллида NiAl следующего химического состава, мас.%:
Al
9,2-9,6
Cr
4,2-4,8
W
2,7-3,2
Mo
2,8-3,2
Та
0,1-0,5
Ti
1,0-1,4
C
0,001-0,02
Zr
0,05-0,5
La
0,0015-0,015
Ni
остальное
(патент РФ №2256714)
Недостатками этого сплава является пониженная кратковременная прочность при комнатной температуре и недостаточная жаропрочность в интервале температур 1000-1100°С на базе испытания 500 часов.
3
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является сплав на основе интерметаллида NiAl, имеющий следующий химический состав, мас.%:
Al
8,5-9,5
Cr
4,8-5,5
W
2,6-3,2
Mo
2,5-3,5
Re
1,0-3,5
Ti
1,0-1,6
C
0,001-0,005
La
0,0015-0,015
Ni
остальное
(патент РФ №2237093)
Недостатками этого сплава являются недостаточная кратковременная прочность при комнатной температуре и жаропрочность при температуре 1100°С на базе 500 часов и при 1200°С на базе 100 часов.
Изделия из этого сплава имеют ограниченный ресурс работы.
3
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание сплава на основе интерметаллида NiAl, обладающего повышенными кратковременной прочностью при комнатной температуре и жаропрочностью при температуре 1100°С на базе 500 часов и при 1200°С на базе 100 часов.
3
Для достижения поставленной технической задачи предлагается сплав на основе интерметаллида NiAl, содержащий алюминий, хром, вольфрам, молибден, рений, титан, углерод, лантан, никель, который дополнительно содержит цирконий, гафний и иттрий, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Al
8,0-8,8
Cr
5,0-6,0
W
2,2-3,0
Mo
3,0-4,0
Re
1,0-3,0
Ti
0,5-1,5
C
0,01-0,10
La
0,01-0,30
Zr
0,05-0,50
Hf
0,05-0,70
Y
0,01-0,10
Ni
остальное
3
Авторами было установлено, что при введении в состав циркония и гафния, связывающих углерод и действующих как раскислитель иттрия, при заявленном содержании и соотношениях компонентов в предлагаемом сплаве на основе интерметаллида NiAl наблюдается снижение содержания кислорода и примесей в расплаве и образование мелкодисперсных интерметаллидных фаз, при этом достигается наибольший эффект повышения кратковременной прочности при комнатной температуре и жаропрочности сплава при температурах 1100° на базе 500 часов и при 1200°С на базе 100 часов.
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.
Перед последующими операциями шихтовую заготовку протачивали по поверхности на глубину 1-2 мм для удаления слоя, контактирующего с чугуном, затем разрезали на мерные заготовки для последующего переплава весом по 3,5 кг методом направленной кристаллизации.
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°С в течение 1 ч, охлаждение на воздухе.
Свойства предлагаемого сплава с различным соотношением компонентов и сплава-прототипа, приведенные в таблице 2, определяли на стандартных образцах при соотношении 1/d=5. Критерием являются средние значения из 10 образцов на точку с доверительной вероятностью 0,8.
Свойства предлагаемого сплава с различным соотношением компонентов и сплава-прототипа, полученных по одной и той же технологической схеме, приведены в таблице 2.
20
1100
1200
В
3
500
100
Из таблицы 2 видно, что свойства предлагаемого сплава выше, чем свойства известного сплава-прототипа: кратковременная прочность при комнатной температуре (σ ) - на 10-24% и жаропрочность сплава на основе интерметаллида NiAl при температуре 1100°С на базе 500 часов (σ ) - на 17,6-29,4% и при 1200°С на базе 100 часов (σ ) - на 10,0-20,0%.
3
Использование предлагаемого сплава на основе интерметаллида NiAl повышает температуру газа перед турбиной, тягу двигателя, надежность деталей и увеличивает ресурс их работы.
Таблица 1
состав
Содержание элементов, мас.%
Al
Cr
W
Mo
Re
Ti
C
La
Hf
Zr
Y
Ni
1
8,0
5,5
2,2
4,0
3,0
1,5
0,10
0,01
0,05
0,50
0,10
ост.
2
8,4
5,0
2,6
3,5
2,0
1,0
0,04
0,2
0,40
0,25
0,05
ост.
3
8,8
6,0
3,0
3,0
1,0
0,5
0,01
0,3
0,70
0,05
0,01
ост.
прототип
9,0
5,15
2,9
3,0
1,75
1,3
0,003
0,01
-
-
-
ост.
Таблица 2
Свойства
σ<sub>в</sub> <sup>20</sup>, кгс/мм<sup>2</sup>
σ<sup>1100</sup> <sub>500</sub>, кгс/мм<sup>2</sup>
σ<sup>1200</sup> <sub>100</sub>, кгс/мм<sup>2</sup>
1
174,0
10,0
5,8
2
155,6
10,5
6,0
3
156,8
11,0
5,5
прототип
140,2
8,5
5,0