СПЛАВ НА ОСНОВЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДА НИКЕЛЯ
ALLOY ON BASE OF INTER-METALLIDE OF NICKEL

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным сплавам на основе интерметаллидов никеля и изделиям, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям с поликристаллической и направленной столбчатой структурами, таким как, например, сопловые лопатки, блоки сопловых лопаток, створки регулируемого сопла и другие детали газотурбинных двигателей авиационной и автомобильной промышленности. Никелевые сплавы, получаемые методом порошковой металлургии, если и применяются для теплонагруженных деталей, то на короткие ресурсы, так как в силу своей природы литейные сплавы имеют более высокую жаропрочность и жаростойкость.
Известен сплав на основе интерметаллида NiAl следующего химического состава, мас.%:
Al
17,2-43,9
не менее двух элементов из группы
Ga, Hf, Ti
0,18-18,7
V
4,6-4,7
Zr
1,75-1,8
Ta
17,4-17,6
Nb
8,9-9,05
Ni
остальное (Патент США №5516380)
Недостатком этого сплава является низкая длительная прочность при температурах до 900°C.
Изделия из этого сплава используются для наземных силовых установок на короткие ресурсы (25 часов) при температурах эксплуатации до 900°C.
3
Известен сплав на основе интерметаллида NiAl и изделие, выполненное из него, следующего химического состава, мас.%:
Al
10,5-12,5
Cr
4,0-6,0
W
1,5-2,5
Ti
1,0-1,6
C
0,1-0,2
Si
0,9-1,2
B
0,005-0,015
Y
0,005-0,015
Ni
- остальное (Патент РФ №2230812)
Известный сплав обладает хорошей износостойкостью и термостойкостью до температуры 1200°C и может быть использован для изготовления, например, бандажных полок рабочих лопаток и вкладышей сопловых аппаратов. Однако этот сплав является многокомпонентным, с достаточно высоким удельным весом и дорогостоящим. Кроме того, из этого сплава невозможно изготовление ответственных силовых деталей, таких как рабочие и сопловые лопатки ГТД, из-за неудовлетворительной выносливости при температурах 20 и 900°С.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является малолегированный сплав на основе интерметаллида NiAl следующего химического состава, мас.%:
Al
30,0-32,0
Hf
1,0-2,0
Cr
3,0-4,0
Ni
остальное (Патент РФ №2299918)
Недостатком этого сплава является неудовлетворительная удельная прочность при температурах 20 и 1200°C, жаростойкость при температурах 1200 и 1300°C и низкое относительное удлинение при комнатной температуре.
Сплав-прототип может быть использован для изготовления теплонагруженных деталей, например неохлаждаемых камер сгорания.
Номенклатура изделий, выполненных из этого сплава, ограничена, его можно использовать для неответственных деталей ГТД.
Технической задачей изобретения является разработка малолегированного с низким удельным весом сплава на основе интерметаллида никеля, обладающего повышенными удельной прочностью при температурах 20 и 1200°C, жаростойкостью при температурах 1200 и 1300°C и относительным удлинением при комнатной температуре.
Для достижения поставленной технической задачи предлагается сплав на основе интерметаллида никеля, содержащий никель, алюминий, который дополнительно содержит титан, углерод, хром и/или кобальт, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Al
14,5-15,5
Ti
1,2-1,5
C
0,05-0,15
Cr и/или Co
18,0-20,0
Ni
остальное
3
Установлено, что при введении в состав сплава титана, углерода, хрома и/или кобальта, действующих как карбидообразующие элементы, при заявленном содержании и соотношениях компонентов наблюдается снижение содержания кислорода в расплаве, образование мелких правильной округлой формы карбидов, гетерофазной интерметаллидной структуры (NiAl - β-фаза+NiAl-γ'-фаза), плотной защитной оксидной пленки. При этом достигается наибольший эффект повышения удельной прочности при температурах 20 и 1200°C, жаростойкости при температурах 1200 и 1300°C и относительного удлинения при комнатной температуре при отливке изделий методом точного литья по выплавляемым моделям с поликристаллической и направленной столбчатой структурами.
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, таких как сера, фосфор, сурьма, висмут, железо, кремний, свинец и олово, определяли по стандартным методикам.
Обточенную шихтовую заготовку переплавляли вакуумным индукционным методом на установке полупромышленной для заливки форм (УППФ) для получения заготовок с поликристаллической (равноосной) структурой и на установке вакуумной для направленно закристаллизованных эвтектических сплавов (УВНЭС) для получения заготовок с направленной столбчатой структурой.
Свойства предлагаемого сплава с различным соотношением компонентов и сплава-прототипа, полученных по одной и той же технологической схеме, приведены в таблице 2.
20
1200
20
Из таблицы 2 видно, что свойства предлагаемого сплава на основе интерметаллида никеля выше, чем свойства сплава-прототипа: удельная прочность при температуре 20°C на образцах с поликристаллической (равноосной) структурой (σ в/γ) на 40-80%, с направленной столбчатой структурой - на 18,75-40,75%; удельная прочность при температуре 1200°C с поликристаллической (равноосной) структурой (σ в/γ) на 40,0-53,3%, с направленной столбчатой структурой - на 50-75%; жаростойкость по привесу при температуре 1200°C в 4,7-8,2 раза, при температуре 1300°C - в 1,5-2,3 раза; относительное удлинение на образцах с поликристаллической и направленной столбчатой структурами (δ) возрастает от 1,7 до 3,5% по сравнению с хрупким разрушением сплава-прототипа.
Использование предлагаемого сплава на основе интерметаллида никеля повышает надежность изделий из него и увеличивает ресурс их работы.
Таблица 1
Состав
Содержание элементов, мас.%
Al
Hf
Ti
C
Co+Cr
Co
Cr
Ni
1
15,0
-
1,35
0,1
20,0
-
-
ост.
2
14,5
-
1,2
0,05
-
18,0
-
ост.
3
15,5
-
1,5
0,15
-
-
18,0
ост.
прототип
31,0
1,5
-
-
-
3,5
ост.
Таблица 2
Свойства
σ<sup>20</sup> в/γ, км
σ<sup>1200</sup> в/γ, км
жаростойкость по привесу за 100 ч, г/м<sup>2</sup>
относительное удлинение, δ<sup>20</sup>, %
PK
HK
PK
HK
1200°C
1300°C
PK
HK
1
0,07
0,95
0,021
0,030
3,3
12,5
1,7
3,0
2
0,09
1,3
0,023
0,032
4,2
11,8
2,5
3,5
3
0,08
1,35
0,024
0,035
5,7
17,7
2,8
2,8
прототип
0,05
0,8
0,015
0,020
27,0
27,0
0
0