Интерметаллидный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него
NICKEL-BASED INTERMETALLIC ALLOY AND ARTICLE MADE FROM IT

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным интерметаллидным сплавам на основе никеля, предназначенным для изготовления методами точного литья по выплавляемым моделям и/или послойного синтезирования, например, заготовок деталей камеры сгорания газотурбинных двигателей (ГТД) с поликристаллической структурой.
Известен интерметаллидный никелевый сплав марки IC221M, предназначенный для отливки деталей ГТД, следующего химического состава, масс. %:
Аl
7,5-8,2
Сr
7,63-8,11
Мо
1,38-1,5
Zr
1,73-2,02
В
0,004-0,008
С
0,012-0,032
Si
0,021-0,055
Fe
0,03-0,15
Ni
остальное
3
(V.K. Sikka, M.L. Santella Processing and operating experience of NiAl-based intermetallic alloy IC-221M, 1997; Martin Pohludka, Jitka ,  Michenka, Miroslav Kursa, , Ivo Szurman Structure and mechanical properties of nickel alloys. Metal 2013. 15. - 17. 5. 2013, Brno, Czech Republic, EU).
Данный сплав имеет невысокое содержание углерода и бора, что негативно влияет на значения кратковременной и длительной прочности при температуре 1100°С.
Известен интерметаллидный никелевый сплав, предназначенный для получения деталей ГТД с поликристаллической структурой методом точного литья по выплавляемым моделям, следующего химического состава, масс. %:
Аl
8,0-9,0
Сг
4, -6,5
W
2,0-4,2
Мо
2,5-4,5
Ti
1,0-2,0
С
0,10-0,18
Hf
0,4-0,6
Ni
остальное (RU 2304179 С1, 10.08.2007).
Сплав обладает структурной стабильностью при температурах до 1200°С ввиду высокого содержания γ'-фазы (90% об.). Однако это отрицательно сказывается на его свариваемости и технологичности, что затрудняет получение из сплава сложнофасонных деталей как литьем, так и послойным синтезированием. Кроме того, в синтезированном виде сплав обладает недостаточной пластичностью.
Известен жаропрочный интерметаллидный сплав на основе никеля, предназначенный для получения деталей ГТД, следующего химического состава, масс. %:
Аl
8,3-8,9
Сr
4,5-5,2
W
4,0-4,6
Мо
3,8-4,2
Ti
1,2-1,6
Со
5,4-6,0
Zr
0,05-0,50
С
0,15-0,20
La
0,05-0,25
Y
0,01-0,05
Ni
остальное (RU 2569283 C1, 20.11.2015).
Благодаря присутствию кобальта сплав более технологичен при литье с поликристаллической структурой и послойном синтезировании заготовок деталей. Ввиду недостаточного упрочнения у-твердого раствора и границ зерен сплав обладает невысокой длительной прочностью при температуре 1100°С на базе 100 ч.
3
Наиболее близким аналогом является жаропрочный сплав на основе соединения NiAl, предназначенный для получения рабочих лопаток ГТД методом точного литья по выплавляемым моделям, следующего химического состава, масс. %:
Аl
7,7-8,7
Сr
5,0-6,0
Мо
4,5-5,5
W
2,5-3,5
Ti
0,3-0,8
С
0,001-0,02
Со
4,0-6,0
Re
1,2-1,8
La
0,002-0,2
Zr
0,05-0,5
Ni
остальное (RU 2256716 C1, 20.07.2005).
Благодаря присутствию рения сплав имеет высокие значения жаропрочности при температурах 1000 - 1050°С на базе 100 ч. Однако низкое содержание углерода негативно влияет на прочность заготовок деталей с поликристаллической структурой, изготавливаемых из сплава методом литья и/или методом послойного синтезирования, в диапазоне температур 1100 - 1200°С, так как границы зерен не укреплены. Недостатком сплава также является высокое содержание кислорода при литье и синтезировании полуфабрикатов, поскольку из связывающих кислород элементов сплав содержит только лантан.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение содержания кислорода в сплаве, повышение кратковременной и длительной прочности при температурах 1100 - 1200°С сплава, изготовленного как методом литья, так и послойного синтезирования.
Для достижения поставленного технического результата предложен сплав на основе интерметаллида никеля, содержащий алюминий, хром, молибден, вольфрам, титан, углерод, кобальт, рений, лантан, цирконий, никель, отличающийся тем, он дополнительно содержит неодим и иттрий при следующем соотношении компонентов, масс. %:
Аl
8,1-8,6
Сr
5,6-6,3
Мо
4,5-5,5
W
2,5-3,5
Ti
0,3-1,0
С
0,15-0,2
Со
4,0-5,0
Re
1,2-1,6
La
0,002-0,2
Zr
0,05-1,0
Nd
0,002-0,2
Y
0,002-0,2
Ni
основа.
При легировании многокомпонентных жаропрочных никелевых сплавов необходимо соблюдение баланса химического и фазового состава. Баланс легирования рассчитывают по нижеприведенным выражениям. Основными критериями выбора являются условия:
где Ci - содержание i-ro химического элемента в составе композиции сплава, Ai - атомная масса i-ro элемента, Ei - число валентных электронов i-ro химического элемента,  - среднее значение электронной концентрации композиции сплава, ΔЕ - величина, определяющая дисбаланс легирования.
3
В сплавах с отрицательным значением ΔЕ ≤ -0,02 велика вероятность образования ТПУ-фаз, с положительным значением ΔЕ > 0,02 возможно образование соединений на основе NiTi, а также карбидов (Морозова Г.И. Компенсация дисбаланса легирования жаропрочных никелевых сплавов //МиТОМ. 2012. №12., с. 52-58).
3
2
пл
пл
пл
Известно, что углерод и такие элементы, как хром, цирконий и титан вступают во взаимодействие, образуя карбиды, укрепляющие границы зерен. Авторами установлено, что на формирование высокотемпературных карбидов перечисленных элементов необходимо 0,1 масс. % хрома (СrС, Т.=1985°С), 0,17 масс. % циркония (ZrC, Т=3530°С) и 0,24 масс. % титана (TiC, Т.=3150°С), соответственно. Таким образом, с учетом образования карбидов, содержание перечисленных карбидообразующих элементов необходимо повысить до заявляемых значений для сохранения сбалансированности химического и фазового состава интерметаллидного сплава.
L
L
Алюминий и рений являются одними из самых ликвирующих элементов жаропрочных никелевых сплавов (в зависимости от содержания элементов, коэффициент ликвации K (Аl)=0,6÷0,7; K (Re)=1,5÷3,5). Сужение интервала легирования по алюминию и рению позволит снизить вариативность фазового состава и обеспечит также снижение ликвационной неоднородности, свойственной сплавам, легированным тугоплавким элементам.
При отливке деталей с поликристаллической структурой из сплава предложенного состава на границах зерен происходит образование сложных карбидов, содержащих цирконий, молибден, вольфрам и хром, которые будут препятствовать движению дислокаций, ползучести и, следовательно, повысят кратковременную и длительную прочность сплава при температурах 1100-1200°С.
2
3
2
3
Для получения изделий из сплава методом послойного синтезирования в качестве расходного материала используют порошок фракцией 40-150 мкм, имеющий большую площадь поверхности и, следовательно, содержание кислорода. Поэтому поддержание низкого уровня кислорода является особо важной задачей при изготовлении синтезированных полуфабрикатов. Введение в состав предлагаемого сплава неодима и иттрия, имеющих большое сродство к кислороду, при заявленном содержании приводит к связыванию его в соединения типа NdO и YO, снижению содержания примеси кислорода и повышению металлургического качества металла, что позволит изготовить плотный полуфабрикат с минимальным содержанием пор.
Химический состав предлагаемого сплава позволяет получить полуфабрикаты с равноосной поликристаллической структурой методом точного литья по выплавляемым моделям и также полуфабрикаты с поликристаллической структурой методом послойного синтезирования.
1100
1200
1100
1200
100
100
в
в
Сплав с равноосной поликристаллической структурой обладает жаропрочностью при температуре 1100°С на базе 100 ч σ=43 МПа, при температуре 1200°С на базе 100 ч σ=20 МПа, кратковременной прочностью при 1100°С σ=340 МПа, при 1200°С - σ=170 МПа.
Примеры осуществления.
Вакуумным индукционным методом в установке ВИАМ-2002 были выполнены три плавки предлагаемого сплава и одна плавка сплава, взятого за прототип.
Содержание легирующих элементов определяли атомно-эмиссионным анализом, содержание углерода и примеси кислорода - газовым анализом, содержание примесей, таких как, сурьма, марганец, железо, висмут, олово, свинец, кремний определяли методом масс-спектрометрического анализа. Результаты химического анализа составов предлагаемого сплава и сплава-прототипа приведены в таблице 1.
Каждая плавка была разделена на две заготовки.
Далее расплавленный металл заливали в керамические формы, изготовленные из одноразовых выплавляемых восковых моделей, и осуществляли переплав первой серии заготовок (метод точного литья по выплавляемым моделям).
Из второй серии заготовок получали образцы сплава путем послойного синтезирования мелкодисперной порошковой композиции сплава электронными пучками высокой мощности в вакууме (метод электронно-лучевого сплавления ЭЛС).
Испытания на жаропрочность определяли стандартным методом по ГОСТ 10145-81, на кратковременную прочность - по ГОСТ 9651-84.
Свойства предлагаемого сплава и сплава-прототипа, полученных разными способами (методом точного литья по выплавляемым моделям и послойного синтезирования) приведены в таблице 2.
Известно, что литой сплав содержит меньшее, чем синтезированный материал, количество кислорода. Из таблицы 2 видно, что содержание кислорода в сплаве предложенного химического состава ниже в ~2 раза, чем в сплаве-прототипе, как в литом варианте, так и синтезированном.
Сравнивая свойства сплавов, отметим, что сплав предложенного химического состава имеет преимущества перед сплавом-прототипом:
1100
1200
1100
1200
100
100
в
в
- жаропрочность сплава с равноосной структурой при температуре 1100°С на базе 100 часов (σ) находится на одном уровне, жаропрочность при температуре 1200°С на базе 100 часов (σ) превышает показатель сплава-прототипа в 1,8-2,2 раза, кратковременная прочность при температуре 1100°С (σ) повышена на 36-38%, кратковременная прочность при температуре 1200°С (σ) повышена на 6-13%;
1100
1200
1100
1200
100
100
в
в
- жаропрочность сплава предложенного состава в синтезированном виде при температуре 1100°С на базе 100 часов (σ) превышает показатель сплава-прототипа на 67-80%, при температуре 1200°С на базе 100 часов (σ) в 3-3,6 раза; кратковременная прочность при температуре 1100°С (σ) повышена на 35-39%, кратковременная прочность при температуре 1200°С (σ) повышена на 14-18%.
Использование предлагаемого жаропрочного интерметаллидного сплава позволит повысить рабочие температуры и надежность, снизить вес статорных деталей, таких как элементы камеры сгорания.