3
СПЛАВ НА ОСНОВЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДА NiAl И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО
3
ALLOY ON BASIS OF NiAl INTERMETALLIC COMPOUND AND ITEM MADE FROM IT

3
Изобретение относится к области металлургии, а именно, к литейным сплавам на основе интерметаллида NiAl и изделиям, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям с дендритной столбчатой (направленной кристаллизованной) структурой, таким как, например, сопловые лопатки, блоки сопловых лопаток и другие детали газотурбинных двигателей авиационной и автомобильной промышленности.
3
Известен сплав на основе интерметаллида NiAl следующего химического состава, мас.%:
Al
2,4-6,5
V
8,1-15,5
Nb
0,8-8,6
B
0,005-0,05
Ni
остальное
(Патент США 8197618)
Недостатком этого сплава является хрупкость при комнатной температуре и неудовлетворительная пластичность в диапазоне температур 100-800°С.
Изделия из этого сплава используются для наземных ГТД при температурах эксплуатации до 1100°С.
3
Известен также сплав на основе интерметаллида NiAl следующего химического состава, мас.%:
Al
8,0-10,8
Cr
4,0-6,0
W
1,5-5,5
Ti
1,0-1,4
С
0,15-0,20
La
0,0015-0,0150
Zr
0,03-0,05
Y
0,01-0,02
В
0,008-0,018
Ni
остальное
(Патент РФ №2405851)
Недостатком известного сплава является неудовлетворительная жаропрочность при температурах 1000 и 1050°C на базах испытания 100 и 500 часов.
Недостатком изделий, выполненных из известного сплава, является низкий выход годного при отливке изделий с дендритной столбчатой (направленной кристаллизованной) структурой.
3
Известен сплав на основе интерметаллида NiAl следующего химического состава, мас.%:
Al
8,0-9,1
Cr
5,5-6,5
W
2,5-3,5
Mo
4,5-5,5
Ti
0,3-0,8
С
0,001-0,01
La
0,1-0,3
Zr
0,05-0,5
Hf
0,1-0,5
Та
0,1-1,0
Ni и технологические примеси - остальное
и изделие, выполненное из него
(Патент РФ №2351673)
Сплав обладает недостаточной пластичностью при комнатной температуре.
Изделия, выполненные из этого сплава, имеют низкий выход годного при отливке с дендритной столбчатой (направленной кристаллизованной) структурой.
3
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является сплав на основе интерметаллида NiAl, имеющий следующий химический состав, мас.%:
Al
8,0-9,0
Cr
4,5-5,5
W
1,8-2,5
Mo
4,5-5,5
Ti
0,6-1,2
Co
3,5-4,5
С
0,01-0,08
La
0,0015-0,015
Sc
0,015-0,03
Ni
остальное
и изделие, выполненное из него
(Патент РФ №2349663)
Недостатком сплава-прототипа является недостаточно высокая жаропрочность при температурах 1000 и 1050°С на базах испытания 100, 500 и 1000 часов и недостаточный выход годного.
Изделия из этого сплава имеют ограниченный ресурс эксплуатации.
3
Технической задачей изобретения является создание сплава на основе интерметаллида NiAl, обладающего повышенной жаропрочностью при температурах 1000 и 1050°С на базах испытания 100, 500 и 1000 часов и повышение выхода годного при отливке изделий с дендритной столбчатой (направленной кристаллизованной) структурой.
3
Для достижения поставленной технической задачи предложен сплав на основе интерметаллида NiAl, содержащий алюминий, хром, вольфрам, молибден, титан, кобальт, углерод, лантан и никель, который дополнительно содержит гафний при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Al
8,4-9,0
Cr
4,5-5,5
W
3,0-3,8
Mo
3,0-3,8
Ti
0,3-0,8
Co
6,5-7,5
С
0,02-0,08
La
0,0015-0,015
Hf
0,3-0,8
Ni
остальное
и изделие, выполненное из него
Сплав может содержать в виде примесей следующие элементы, мас.%: серу ≤0,005, фосфор ≤0,015, железо ≤0,5, кремний ≤0,4; свинец ≤0,001, висмут ≤0,0005, олово ≤0,003 и сурьму ≤0,003.
5
Было установлено, что снижение содержания молибдена в сплаве приводит к повышению жаростойкости, увеличение содержания в сплаве вольфрама приводит к упрочнению γ′ и γ-твердого раствора, кобальта - к упрочнению γ-твердого раствора и повышению пластичности при комнатной температуре, технологичности, а, следовательно, и выхода годного. При введении в состав гафния, действующего как карбидообразующий элемент, наблюдается образование мелкодисперсной карбидной фазы. При введении в состав гафния ниже 0,3 масс.% он будет выполнять роль только раскислителителя, что недопустимо при заявленном содержании других легирующих элементов, в частности, углерода. При повышении содержания гафния более 0,8 масс.% возможно образование легкоплавкого соединения NiHf (Тпл.=1190°С).
3
При заявленном содержании и соотношениях компонентов в предлагаемом сплаве на основе интерметаллида NiAl достигается наибольший эффект повышения жаропрочности сплава при температурах 1000 и 1050°С на базах испытания 100, 500 и 1000 часов и повышения выхода годного при отливке изделий с дендритной столбчатой структурой.
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.
Содержание легирующих элементов, газов и примесей определяли по стандартным методикам.
Перед последующими операциями шихтовую заготовку протачивали по поверхности на глубину 1-2 мм для удаления слоя, контактирующего с чугуном, затем разрезали на мерные заготовки весом по 3,2 кг для последующего переплава.
Заготовки под образцы ⌀ 16 мм и длиной 150 мм и изделия в виде модельных сопловых лопаток газотурбинных двигателей с дендритной столбчатой структурой получали методом направленной кристаллизации в вакууме.
Выход годного по дендритной столбчатой структуре заготовок образцов и отливок изделий контролировали путем выявления макроструктуры травлением в смеси соляной кислоты и перекиси водорода. Годными по макроструктуре отбирались отливки, имеющие 2-3 зерна с границами зерен, ориентированными преимущественно вдоль оси отливки.
С целью снятия остаточных напряжений и повышения 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 l/d=5. Критерием являлись средние значения из 10 образцов на точку с доверительной вероятностью 0,8.
3
100
500
1000
500
500
1000
1000
1000
1000
1050
1050
1050
Из таблицы 2 видно, что свойства предлагаемого сплава на основе интерметаллида NiAl выше, чем свойства сплава-прототипа: жаропрочность при температуре 1000°C на базе испытания 100 часов (σ ) - на 11,0-18,5%; жаропрочность при температуре 1000°C на базе испытания 500 часов (σ ) - на 17,5-29,5%; жаропрочность при температуре 1000°С на базе испытания 1000 часов (σ ) - на 50,0-58,0%; жаропрочность при температуре 1050°C на базе испытания 100 часов (σ ) - на 10,5-24,5%; жаропрочность при температуре 1050°C на базе испытания 500 часов (σ ) - на 22,5-30,5%; жаропрочность при температуре 1050°C на базе испытания 1000 часов (σ ) - на 40-50%; выход годного отливок изделий по дендритной столбчатой структуре на 12,0-17,0%.
3
Использование предлагаемого сплава на основе интерметаллида NiAl повысит надежность изделий и увеличит ресурс их работы.
Таблица 1
Составы предлагаемого сплава и сплава-прототипа
Состав
Содержание элементов, масс.%
Al
Cr
W
Mo
Ti
Co
С
La
Sc
Hf
Ni
1
8,7
5,0
3,4
3,4
0,6
7,0
0,05
0,010
-
0,5
ост.
2
8,4
5,5
3,8
3,0
0,8
6,5
0,02
0,0015
-
0,3
ост.
3
9,0
4,5
3,0
3,8
0,3
7,5
0,08
0,015
-
0,8
ост.
Прототип
8,5
5,0
2,1
5,0
0,9
4,0
0,05
0,010
0,02
-
ост.
Таблица 2
Свойства предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni<sub>3</sub>Al и сплава-прототипа
Свойства
σ<sup>1000</sup> <sub>100</sub>, МПа
σ<sup>1000</sup> <sub>500</sub>, МПа
σ<sup>1000</sup> <sub>1000</sub>, МПа
σ<sup>1050</sup> <sub>100</sub>, МПа
σ<sup>1050</sup> <sub>500</sub>, МПа
σ<sup>1050</sup> <sub>1000</sub>, кгс/мм<sup>2</sup>
Выход годного при получении дендритной столбчатой структуры, %
1
152,0
103,0
88,5
110,0
78,5
68,5
90,0
2
157,0
108,0
93,0
103,0
83,5
73,5
87,5
3
147,0
98,0
88,5
98,0
78,5
68,5
85,0
Прототип
132,5
83,5
59,0
88,5
64,0
49,0
73,0