3
СПЛАВ НА ОСНОВЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДА NiAl И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО
3
NiAl INTERMETALLIDE-BASED ALLOY AND ARTICLES MADE THEREOF

3
Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству сплавов на основе интерметаллида NiAl и изделиям, получаемым из них методом направленной кристаллизации, с монокристаллической или столбчатой структурами, например лопаток газовых турбин, работающих при температурах до 1200°C.
3
Известен сплав на основе интерметаллида NiАl следующего химического состава, атомн.%:
Алюминий
15,5-10,0
Хром
4-8
Молибден
3,5-5,5
Цирконий
0,04-0,2
Бор
0,04-1,5
Никель
остальное
(патент США №6106640)
Известный сплав обладает недостаточной прочностью при растяжении и жаропрочностью при температуре 1200°С. Сплав имеет предел прочности 130 МПа, предел текучести 127 МПа; при температуре 1040°С и напряжении 11,9 МПа время до разрушения при испытании на длительную прочность сплава составляет 137,9 ч.
Из известного сплава изготавливают детали горячего тракта газотурбинного двигателя.
3
Известен сплав на основе интерметаллида NiAl следующего химического состава, масс.%:
Алюминий
7,7-8,7
Хром
5,0-6,0
Молибден
4,5-5,5
Вольфрам
2,5-3,5
Титан
0,3-0,8
Углерод
0,001-0,02
Кобальт
4,0-6,0
Рений
1,2-1,8
Лантан
0,002-0,200
Цирконий
0,05-0,5
Никель
Остальное
и изделие, выполненное
из него (патент РФ №2256716)
3
Недостатком известного сплава и изделия с монокристаллической структурой, например рабочие лопатки газовой турбины, выполненные из этого сплава, является склонность к образованию топологически плотноупакованных (ТПУ) фаз при длительном воздействии высоких температур. Отрицательное влияние ТПУ фаз на свойства сплава и изделия проявляется в том, что они служат источником зарождения микротрещин, ведущих к преждевременному разрушению изделий, выполненных из него. Кроме этого, ТПУ фазы связывают значительное количество легирующих элементов Re, Mo, W и, тем самым, обедняют ими фазы на основе интерметаллида NiAl (γ'-фаза) и на основе никеля (γ-фаза), повышая скорость диффузии атомов компонентов сплава и, следовательно, понижая сопротивление высокотемпературной ползучести. В результате известный сплав и изделия, выполненные из него, обладают недостаточной прочностью при растяжении и жаропрочностью: при температуре 1200°С сплав с монокристаллической структурой в кристаллографическом направлении [001] имеет предел прочности ~170 МПа, предел текучести ~165 МПа; долговечность сплава при испытании на длительную прочность при напряжении 40 МПа составляет ~90 ч.
3
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является сплав на основе интерметаллида NiAl, имеющий следующий химический состав, масс.%:
Алюминий
7,8-9,0
Хром
4,5-5,5
Молибден
4,5-5,5
Вольфрам
1,8-2,5
Титан
0,6-1,2
Углерод
0,007-0,02
Кобальт
3,5-4,5
Лантан
0,0015-0,015
Никель
остальное (патент РФ №2114206)
Сплав-прототип с монокристаллической структурой в кристаллографическом направлении [001] обладает недостаточно высокими характеристиками кратковременной и длительной прочности, что не обеспечивает достижения требуемых показателей надежности и ресурса изделий с монокристаллической структурой в кристаллографическом направлении [001], например сопловых лопаток газовой турбины, выполненных из сплава-прототипа.
3
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание сплава на основе интерметаллида NiAl и изделия, выполненного из него, обладающих повышенными характеристиками кратковременной прочности в интервале температур 20-1200°С и длительной прочности в интервале температур 1000-1200°С.
3
Для достижения поставленной технической задачи предлагается сплав на основе интерметаллида NiAl, содержащий алюминий, хром, молибден, вольфрам, углерод, кобальт, лантан, который дополнительно содержит рений, тантал и церий при следующем соотношении компонентов, масс.%:
Алюминий
8,0-8,8
Хром
3,0-4,0
Молибден
4,0-5,0
Вольфрам
2,0-3,0
Углерод
0,002-0,05
Кобальт
4,0-6,0
Рений
0,15-0,65
Лантан
0,005-0,25
Тантал
5,6-6,4
Церий
0,001-0,02
Никель
остальное
и изделие, выполненное из него
3
При дополнительном легировании танталом предлагаемого сплава повышение характеристик кратковременной и длительной прочности достигается за счет увеличения периода кристаллической решетки интерметаллидной γ'-фазы на основе NiAl, содержание которой в структуре сплава составляет ~90% (по объему). Тантал в основном растворяется в γ'-фазе сплава с коэффициентом распределения между γ'-фазой и равновесным с ней γ-раствором, равным ~3. Поэтому действие тантала в заявленном соотношении вызывает значительно большее увеличение периода кристаллической решетки интерметаллидной γ'-фазы по сравнению с влиянием других компонентов сплава на этот важный фактор прочности и жаропрочности.
3
Введение в состав сплава на основе интерметаллида NiAl рения, который растворяется практически полностью в γ-фазе, занимающей в структуре сплава ~10% (по объему), понижает диффузионную подвижность атомов компонентов в этой фазе, и, следовательно, повышает их высокотемпературные характеристики кратковременной прочности и сопротивление длительной высокотемпературной ползучести.
3
3
Введение в состав предлагаемого сплава на основе интерметаллида NiAl редкоземельного элемента церия за счет синергетического действия с редкоземельным элементом лантаном при заявленном соотношении остальных легирующих элементов значительно усиливает влияние этих редкоземельных элементов на упрочнение межфазных поверхностей раздела в сплаве на основе интерметаллида NiAl между γ'-фазой и равновесным с ней γ-твердым раствором, усиливая при высоких температурах сопротивление высокотемпературной ползучести, окислению и коррозии сплава и изделия из него.
3
i
0
гом
i
гом
пл
Исключение из химического состава заявляемого сплава на основе интерметаллида NiAl титана наряду с легированием более тугоплавкими элементами танталом и рением способствует увеличению температуры плавления сплава и изделия из него и тем самым понижает их гомологическую температуру. Поэтому в соответствии с известным соотношением D=Dехр(-18/T) (здесь D - коэффициенты диффузии легирующих i элементов, Т=T/T - гомологическая температура) диффузионная подвижность атомов компонентов в таком сплаве будет ниже и, следовательно, длительная прочность выше.
Изделия из предлагаемого сплава, например лопатки газовых турбин, будут иметь повышенную долговечность, а следовательно, надежность и ресурс.
Примеры осуществления
пл
В вакуумной индукционной печи были выплавлены три сплава предлагаемого состава и один сплав состава, взятого за прототип. Химические составы (в масс.%) предлагаемого сплава и сплава-прототипа приведены в таблице 1. Затем выплавленные сплавы переплавляли в вакуумной установке для направленной кристаллизации и получали изделия с монокристаллической структурой, главная ось симметрии которых совпадала с кристаллографическим направлением роста [001], в виде отливок (диаметр 16 мм, длина 185 мм). Далее из этих отливок изготавливали образцы для дифференциального термического анализа, по результатам которого определяли температуру плавления Т. С учетом измеренной температуры плавления отливки с монокристаллической структурой подвергали высокотемпературной термической обработке, включающей гомогенизирующий отжиг с последующим охлаждением с контролируемой скоростью. Из термически обработанных таким образом монокристаллических отливок изготавливали образцы для механических испытаний (длина образца 70 мм, рабочая база 25 мм, рабочий диаметр 5 мм) на растяжение и длительную прочность и рентгеноструктурного анализа, по результатам которых определяли предел прочности, предел текучести, длительную прочность и период кристаллической решетки γ'-фазы. Механические испытания проводили в атмосфере воздуха при температурах 20 и 1200°С, длительную прочность - при температурах 1000 и 1200°С и напряжениях 170 и 50 МПа соответственно, определение периода кристаллической решетки γ'-фазы осуществлялось при комнатной температуре. Полученные характеристики композиций сплава-прототипа, заявляемого сплава и изделий, выполненных из него, приведены в таблице 2.
Как видно из таблицы 2, предлагаемый сплав имеет более высокие значения температуры плавления (на 12-20°С), периода кристаллической решетки γ'-фазы (на 0,0006-0,0008 нм), чем сплав, взятый за прототип. В результате повышения этих структурно-фазовых характеристик и совместного действия редкоземельных элементов характеристики кратковременной прочности при температурах 20 и 1200°С предлагаемого сплава соответственно на 46-70% и 44-47% больше, чем сплава и изделий из него, взятого за прототип.
Таблица 1
№ п/п
Al
Cr
Mo
W
Ti
С
Со
La
Та
Re
Се
Ni
1
Сплав-прототип
8,5
5,0
5,0
2,1
0,9
0,01
4,0
0,015
-
-
-
Ост.
2
Предлагаемый сплав
8,0
4,0
5,0
2,0
-
0,002
6,0
0,25
6,4
0,15
0,001
Ост.
3
8,4
3,5
4,5
3,0
-
0,05
4,0
0,005
5,6
0,4
0,01
Ост.
4
8,8
3,0
4,0
2,5
-
0,02
5,0
0,12
6,0
0,65
0,02
Ост.
Таблица 2
№ п/п
Сплав
Т<sub>пл</sub>, °C
α<sub>γ'</sub>, нм
σ<sub>B</sub> (20°C)
σ<sub>0,2 </sub>(20°С)
σ<sub>B</sub> (1200°С)
σ<sub>0,2</sub> (1200°С)
Время до разрушения при испытании на длительную прочность, ч
МПа
1000°С, σ=170, МПа
1200°С, σ=50, МПа
1
Сплав-прототип
1318
0,35739
548
323
195
187
59
68
2
Предлагаемый сплав
1331
0,35819
870
550
315
300
112
117
3
1330
0,35805
840
550
290
285
105
93
4
1338
0,35801
820
560
280
275
94
98
Т<sub>пл</sub> - температура плавления; α<sub>γ'</sub> - период кристаллической решетки γ' - фазы на основе интерметаллида Ni<sub>3</sub>Al; σ<sub>B</sub> - предел прочности; σ<sub>0,2</sub> - предел текучести; σ - напряжение
Характеристика длительной прочности - долговечность (время до разрушения) - предлагаемого сплава больше в 1,6 раза при температуре 1000°С и в 1,4 раза при температуре 1200°С, чем сплава-прототипа.
Повышенные значения температуры плавления и характеристик высокотемпературной прочности, которые имеет предлагаемый сплав по сравнению со сплавом, взятым за прототип, позволяют получать из предлагаемого сплава при направленной кристаллизации более совершенную монокристаллическую структуру отливок деталей с заданным кристаллографическим направлением.
3
Таким образом, предлагаемый сплав на основе интерметаллида NiAl значительно превосходит сплав-прототип по характеристикам кратковременной и длительной прочности, что позволяет повысить надежность и ресурс турбинных лопаток с монокристаллической структурой при рабочих температурах до 1200°С.