3
ЛИТЕЙНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДА NiAl И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО
3
CAST ALLOY ON BASIS OF INTERMETALLIDE NiAl AND PRODUCT IMPLEMENTED FROM IT

3
Изобретение относится к области металлургии, в частности к литейным сплавам на основе интерметаллида NiAl и изделиям из них, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям, и может быть использовано для изготовления деталей авиационных газотурбинных двигателей.
3
Известен литой сплав на основе интерметаллида NiAl, содержащий, мас.%: 7,8-9 алюминия, 4,5-5,5 хрома, 1,8-2,5 вольфрама, 4,5-5,5 молибдена, 0,6-1,2 титана, 0,007-0,02 углерода, 0,0015-0,015 лантана, 3,5-4,5 кобальта, никель - остальное. (RU 2114206, опубл. 27.06.1998).
Недостатком известного сплава является недостаточная жаростойкость при рабочих температурах и склонность к трещинообразованию при рабочей температуре выше 900°С.
Изделия из этого сплава, например, проставки соплового аппарата, имеют ограниченный ресурс работы, что связано с низкой трещиностойскостью при рабочих температурах выше 900°С в условиях малых и высокоцикловых нагрузок.
3
Известен сплав на основе интерметаллида NiAl следующего химического состава, мас.%:
Алюминий
7,7-8,7
Хром
5-6
Вольфрам
2,5-3,5
Молибден
4,5-5,5
Титан
0,3-0,8
Углерод
0,001-0,02
Иттрий
0,015-0,025
Кобальт
3,5-4,5
Рений
1,2-1,8
Тантал
0,1-1,0
Никель и технологические
примеси
остальное
(RU 2221890, опубл. 20.01.2004).
Недостатком этого сплава является низкая прочность и недостаточная жаростойкость в интервале температур 650-1000°С.
Изделия из этого сплава, например бандажные полки ГТД, имеют низкий выход годного и недостаточную долговечность.
3
Наиболее близким к предложенному изобретению, является литейный сплав на основе интерметаллида NiAl, содержащий, мас.%:
Алюминий
7,7-8,7
Хром
5,6-6,0
Вольфрам
2,5-3,5
Молибден
4,5-5,5
Титан
0,3-0,8
Углерод
0,001-0,02
Цирконий
0,05-0,5
Лантан
0,002-0,20
Кобальт
4,0-6,0
Рений
1,2-1,8
Никель и технологические
примеси
остальное
(RU 2256716, опубл. 20.07.2005).
4
7
Недостатком этого сплава является недостаточная жаростойкость при температуре 1200°С и недостаточная малоцикловая стойкость на базе 10 циклов при 20 и 900°С и низкая многоцикловая стойкость на базе 10 циклов при 20-1100°С.
Изделия из этого сплава, например бандажные полки ГТД, имеют низкий ресурс работы из-за указанных недостатков сплава.
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в разработке сплава и изделия, выполненного из него, обладающих высокой долговечностью и жаростойкостью при рабочих температурах выше 900°С.
4
7
Техническим результатом изобретения является повышение трещиностойкости сплава при 20-1100°С на базе 10 и 10 циклов и жаростойкости при 1200°С.
3
Технический результат достигается тем, что литейный сплав на основе интерметаллида NiAl, содержащий алюминий, хром, вольфрам, молибден, титан, углерод, цирконий, лантан и никель, дополнительно содержит гафний и тантал при следующем соотношении компонентов, мас%:
Алюминий
8,0-9,1
Хром
5,5-6,5
Вольфрам
2,5-3,5
Молибден
4,5-5,5
Титан
0,3-0,8
Углерод
0,001-0,01
Цирконий
0,05-0,5
Лантан
0,1-0,3
Гафний
0,1-0,5
Тантал
0,1-1,0
Никель и технологические
примеси
остальное
При этом в качестве технологических примесей сплав может содержать, мас.%: железо, ниобий, марганец не более 0,3 каждого; серу и фосфор не более 0,005 каждого; олово и сурьму не более 0,003 каждого; свинец не более 0,001; висмут не более 0,0005.
Технический результат достигается также тем, что из заявленного сплава выполняют изделия.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Тантал легирует γ′-фазу и растворяется в никеле, упрочняя γ-твердый раствор, тем самым снижая скорость развития диффузионных процессов в объеме и на межфазных границах, вызывая их стабилизацию.
Кроме того, введение тантала в количестве 0,1-1,0 мас.% и гафния в количестве 0,1-0,5 мас.% в сплав с заявленным соотношением компонентов способствует стабилизации карбидов типа МеС, наилучшим образом упрочняющих границы зерен, что значительно повышает трещиностойкость сплавов и повышает сопротивляемость как малоцикловой, так и многоцикловой усталости в диапазоне температур 20-1100°С.
Введение гафния совместно с лантаном образует сложный, тугоплавкий оксид, уплотняющий окисную пленку на поверхности сплава и улучшая ее адгезию с основой, что создает условия для жаростойкости при 1200°С.
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 D=50 мм отбирали стружку на химический анализ. Результаты химанализа сплавов приведены в таблице 1. 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 2 кг для последующего переплава.
-3
Образцы D=16 мм и длиной 150 мм получали методом направленной кристаллизации в вакууме 1,5-2,5×10 мм рт.ст. Поверхность образцов и деталей контролировалась путем выявления микроструктуры в смеси соляной кислоты и перекиси водорода. При наличии одного макрозерна вдоль оси образца отливка считается монокристалической, при наличии двух и более зерен без выклинивания - столбчатой структурой.
Таблица 1.
Составы предлагаемого сплава и прототипа.
№ сплава
Содержание элементов, мас.%
Al
Cr
W
Mo
Ti
С
Zr
Hf
La
Co
Re
Та
Ni
I
8,6
5,0
3,0
4,5
0,3
0,01
0,5
0,05
0,016
5,1
1,8
0,6
Осн.
II
9,1
5,7
2,5
5,5
0,5
0,001
0,24
0,3
0,10
4,0
1,6
1,0
Осн.
III
8,0
6,5
3,5
4,0
0,8
0,005
0,05
0,5
0,25
6,0
1,2
0,1
Осн.
Прототип
8,2
5,8
3,1
4,0
0,6
0, 02
0,25
-
0,13
4,9
1,5
-
Осн.
Свойства предлагаемого сплава с различным соотношением компонентов и сплава-прототипа, полученных по одной и той же технологической схеме, приведены в таблице 2.
Таблица 2.
Свойства предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni<sub>3</sub>Al и сплава-прототипа.
Свойства
I
II
III
Прототип
Моноцикловая на базе 2×10<sup>7</sup> цикла выносливость, МПа
при 20°С
238
240
245
190
при 900°С
367
370
374
295
при 1100°С
158
160
164
120
Время до разрушения при 1100°С, напряжении 95 МПа, ч.
1000
1250
1480
485
3
7
Из таблицы 2 видно, что свойства предлагаемого сплава на основе интерметаллида NiAl существенно выше, чем известного. Многоцикловая на базе 2×10 цикла выносливость предлагаемого сплава при 20, 900 и 1100°С выше на 22-30%, чем у сплава-прототипа. Долговечность предлагаемого сплава до разрушения выше, чем у сплава-прототипа при 1100°С в 2-3 раза.
3
Использование предлагаемого сплава на основе интерметаллида NiAl повышает надежность изделий и увеличивает ресурс их работы.