3
СПЛАВ НА ОСНОВЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДА NiAl И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО
3
ALLOY BASED ON INTERMETALLIC COMPOUND NiAl AND ARTICLE MADE THEREFROM

3
Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным жаропрочным сплавам на основе интерметаллида NiAl, предназначенным для изготовления методом направленной кристаллизации и монокристаллического литья, например, сопловых и рабочих лопаток, блоков сопловых лопаток, сегментов камеры сгорания, створок и других деталей горячего тракта газотурбинных двигателей авиационной промышленности.
3
Известен сплав (патент US 6106640, МПК С22С 19/05, С22С 019/05; опубл. 22.08.2000) на основе интерметаллида NiAl со следующим химическим составом, атомн. %:
Алюминий
10,0-15,5
Хром
4,0-8,0
Молибден
3,5-5,5
Цирконий
0,04-0,2
Бор
0,04-1,5
Никель
остальное
Сплав обладает недостаточной прочностью при растяжении при повышенных температурах. При температуре 1200°C предел прочности составляет 130 МПа, предел ползучести - 127 МПа. Вследствие невысоких прочностных характеристик номенклатура изделий из этого сплава ограничена.
3
Известен сплав (патент РФ 2198233, МПК С22С 19/05, опубл. 10.02.2003 г.) на основе интерметаллида NiAl, следующего химического состава, масс. %:
Алюминий
7,8-9,0
Хром
5,0-6,5
Молибден
3,0-4,0
Вольфрам
2,7-4,0
Титан
0,8-1,2
Углерод
0,001-0,005
Олово
0,03-0,05
Цирконий
0,05-0,5
Никель
остальное
а также изделие, выполненное из этого сплава. Сплав обладает недостаточной жаропрочностью при температуре 1200 с на базе испытания 100 часов для кристаллографической ориентации (КТО) [001], что существенно сужает область применения изделий из этого сплава.
3
Известен сплав (патент РФ 2256716, МПК С22С 19/05, опубл. 20.07.2005 г.) 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
Рений
1,2-1,8
Кобальт
4,0-6,0
Углерод
0,001-0,02
Лантан
0,002-0,2
Цирконий
0,05-0,5
Никель
остальное
а также изделие, выполненное из этого сплава.
Сплав обладает недостаточной кратковременной прочностью и пределом текучести при комнатной температуре, низким уровнем жаростойкости при температурах выше 1100°C, что существенно сужает область применения изделий из этого сплава.
3
Известен сплав (патент РФ 2484167, МПК С22С 19/05, опубл. 10.06.2013 г.) на основе интерметаллида NiAl, следующего химического состава, 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
а также изделие, выполненное из этого сплава.
Сплав обладает недостаточной кратковременной прочностью и пределом текучести при комнатной температуре.
3
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип (патент РФ 2434068, МПК С22С 19/05, опубл. 20.11.2011 г.), является сплав на основе интерметаллида NiAl, имеющий химический состав, масс. %:
Алюминий
8,2-8,7
Хром
2,5-6,0
Молибден
2,8-4,2
Вольфрам
2,8-4,5
Титан
0,01-1,2
Тантал
0,5-5,5
Рений
0,01-1,4
Кобальт
0,01-5,5
Углерод
0,015-0,08
Лантан
0,015-0,4
Гафний
0,01-0,6
Цирконий
0,01-0,08
Иттрий
0,015-0,15
Никель
остальное
а также изделие, выполненное из этого сплава.
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mi>в</mi><mrow><mn>20</mn></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mrow><mn>0,2</mn></mrow><mrow><mn>20</mn></mrow></msubsup></mrow>
Значения кратковременной прочности (
) и предела текучести  (
) при комнатной температуре для КГО [001] составляют 950 МПа и 700 МПа соответственно, что является недостаточным уровнем для обеспечения требуемой надежности и ресурса работы деталей ГТД.
3
Технической задачей и техническим результатом предлагаемого изобретения являются повышение жаропрочности при температуре 1200°C на базе 100 часов, кратковременной прочности и предела текучести при комнатной температуре для КГО [001] сплава на основе интерметаллида NiAl и изделия, выполненного из этого сплава.
3
Для достижения поставленного технического результата предлагается сплав на основе интерметаллида NiAl, содержащий алюминий, хром, молибден, вольфрам, титан, тантал, рений, кобальт, углерод, лантан, гафний, цирконий, иттрий, никель, который дополнительно содержит неодим, эрбий, празеодим при следующем соотношении компонентов, масс. %:
Алюминий
8,2-8,7
Хром
2,5-6,0
Молибден
2,8-4,2
Вольфрам
2,8-4,5
Титан
0,01-1,2
Тантал
0,5-5,5
Рений
0,01-1,4
Кобальт
0,01-5,5
Углерод
0,015-0,08
Лантан
0,015-0,4
Гафний
0,01-0,6
Цирконий
0,01-0,08
Иттрий
0,015-0,15
Суммарное содержание
Эрбия, Неодима и Празеодима
0,1-0,3
Никель
остальное
и изделие, выполненное из этого сплава.
3
2
3
2
3
2
5
2
Было установлено, что при введении в предлагаемый сплав на основе интерметаллида NiAl, редкоземельных металлов неодима, празеодима и эрбия в заявленном соотношении, наблюдается связывание кислорода в соединения (Nd,Pr,Er)О, затруднение скольжения дислокаций, за счет образования атмосфер Котрелла, упрочнение γ-твердого раствора сплава и образование мелкодисперсных интерметаллидных фаз типа ErAl, (Nd,Pr,Er)Al, ErRe, (Nd,Pr,Er)Ni, (Nd,Pr,Er)ZrAl, что приводит к снижению ликвационной неоднородности, повышению жаропрочности при температуре 1200°C на базе 100 часов, повышению кратковременной прочности и предела текучести при комнатной температуре для КГО [001], а также к повышению жаростойкости сплава при температуре 1200°C.
3
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mi>в</mi><mrow><mn>20</mn></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mrow><mn>0,2</mn></mrow><mrow><mn>20</mn></mrow></msubsup></mrow>
Использование предлагаемого сплава на основе интерметаллида NiAl и изделий, выполненных из этого сплава, приводит к повышению надежности изделий, таких как рабочие и сопловые лопатки, и увеличивает ресурс их работы за счет повышения жаропрочности, кратковременной прочности (
) и предела текучести (
) при комнатной температуре для КГО [001] сплава.
Примеры осуществления изобретения
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 стальные трубы диаметром 90 мм отбирали стружку на химический анализ. Результаты химического анализа составов предлагаемого сплава и сплава-прототипа приведены в таблице 1.
Содержание легирующих элементов, газов, примесей, таких как сера, фосфор, сурьма, висмут, определяли по стандартным методикам.
Затем выплавленные сплавы переплавляли в вакуумной установке для высокоградиентной направленной кристаллизации и получали заготовки с монокристаллической структурой, главная ось симметрии которых совпадала с кристаллографическим направлением роста [001], в виде отливок (диаметр 16 мм, длина 185 мм). Из полученных монокристаллических отливок изготавливали образцы для механических испытаний на растяжение и длительную прочность, а также образцы для испытаний на жаростойкость.
Механические свойства предлагаемого сплава с различным соотношением компонентов и сплава-прототипа определяли на стандартных образцах с КГО [001] при соотношении l/d=5 по ГОСТ 1497, ГОСТ 9651, ГОСТ 10145. Критерием являются средние значения из 10 образцов на точку с доверительной вероятностью 0,8.
Испытания на жаростойкость предлагаемого сплава с различным соотношением компонентов и сплава-прототипа проводили в соответствии с ГОСТ 6130.
Механические свойства и коррозионная стойкость предлагаемого сплава с различным соотношением компонентов и сплава-прототипа, полученных по одной и той же технологической схеме, приведены в таблице 2.
3
<mrow><msup><mi>σ</mi><mrow><mn>1200</mn></mrow></msup><mo>=</mo><mn>45</mn><mtext> МПа</mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>τ</mi><mtext>р</mtext><mrow><mtext>1200</mtext></mrow></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mi>в</mi><mrow><mn>20</mn></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mi>в</mi><mrow><mn>1200</mn></mrow></msubsup></mrow>
Из таблицы 2 видно, что свойства предлагаемого сплава на основе интерметаллида NiAl выше, чем свойства сплава-прототипа: время до разрушения при температуре 1200°C при напряжении
- на 30-55%, предел прочности (
) - на 2-5%, предел прочности (
) - на 3-6%, жаростойкость по привесу за 100 часов при температуре 1200°C - на 75-90%.