3
Сплав на основе интерметаллида NiAl и способ его получения
3
ALLOY BASED ON NiAl INTERMETALLIC COMPOUND AND METHOD FOR ITS PRODUCTION

3
Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным жаропрочным сплавам на основе интерметаллида NiAl и способам получения отливок из них методом направленной кристаллизации с монокристаллической структурой для изготовления деталей горячего тракта газотурбинных двигателей авиационного назначения, например, сопловых и рабочих лопаток, элементов камеры сгорания, створок и проставок регулируемого сопла и др.
Известен коррозионностойкий сплав на основе никеля (CN 102171373 В, С22С 19/05, опубл. 19.06.2013) со следующим химическим составом, мас. %:
С
≤0,1
Si
≤1,0
Mn
≤1,0
Cr
≤15-28
Fe
≤15,0
W
5-20
Al
0,5-2,0
Ti
0,5-2,0
Nd
0,001-0,1
В
0,005-0,01
Ni и примеси
остальное
Сплав предназначен для применения в паронагревательных установках и для химической промышленности, но его рабочая температура ограничена 700°С.
3
Известен сплав на основе интерметаллида NiAl, а также и изделие, выполненное из этого сплава (RU 2304179 C1, С22С 19/05, опубл. 10.08.2007) со следующим химическим составом, мас. %:
Al
8,0-9,0
Cr
4,5-6,5
W
2,0-4,2
Мо
2,5-4,5
Ti
1,0-2,0
С
0,10-0,18
Hf
0,40-0,60
Ni
остальное
Изделие, сопловые лопатки и блоки сопловых лопаток отливаются методом точного литья по выплавляемым моделям, имеют поликристаллическую структуру и ограниченный ресурс эксплуатации при температурах 1200-1250°С.
3
Известен сплав на основе интерметаллида NiAl (RU 2198233 С2, С22С 19/05, опубл. 10.02.2003) со следующим химическим составом, мас. %:
Al
7,8-9,0
Cr
5,0-6,5
W
2,7-4,0
Мо
3,0-4,0
Ti
0,8-1,2
С
0,001-0,005
Sn
0,03-0,05
Zr
0,05-0,5
Ni
остальное
Изделие, выполненное из этого сплава, например, элементы камеры сгорания, створки и проставки регулируемого сопла и др., изготовленное методом направленной кристаллизации с дендритной столбчатой или монокристаллической структурами, имеет недостаточно высокий выход годного, что в свою очередь снижает коэффициент использования металла (КИМ) в изделии.
Известен способ получения отливок из литейного интерметаллидного никелевого сплава с монокристаллической структурой кристаллографической ориентации (КГО) <111> с использованием перегрева расплава в тигле и контроля скорости охлаждения сплава при кристаллизации (RU 2254962 C1, B22D 27/04, опубл. 27.06.2005), который обеспечивает повышение механических свойств сплавов за счет создания оптимальной структуры в процессе литья и высокий выход годного. Однако, при изготовлении отливок из интерметаллидного никелевого сплава с монокристаллической структурой КГО <001> выход годного по монокристаллической структуре значительно снижается и сплав имеет недостаточно высокую статическую долговечность в диапазоне температур 800-И 000°С.
В патенте US 5312584 А, С30В 11/00, опубл. 17.05.1994, представлен нетрадиционный способ получения монокристаллических отливок - лопаток, в т.ч. и с транспирационным охлаждением, из никель-алюминида с применением в качестве источника энергии импульсов лазера без использования традиционных форм и стержней. Однако, при изготовлении отливок из литейного интерметаллидного никелевого сплава в промышленных условиях такой экзотический способ не пригоден из-за его высокой трудоемкости.
Известен метод получения интерметаллидного никелевого монокристаллического сплава с использованием затравочного кристалла (CN 101255604 А, В22С 9/04, опубл. 03.09.2008). Такой способ, при перенесении его в серийное производство, является трудозатратным.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип (RU 2078443 С1, С22С 19/05 опубл. 27.04.1997) является сплав на основе никеля, имеющий следующим химический состав, мас. %:
Al
7,8-9,5
Cr
5,0-7,0
W
2,7-4,5
Mo
3,0-4,3
Ti
1,3-2,0
С
0,001-0,02
Zr
0,05-0,04
Ni
остальное
Изделие, выполненное из этого сплава, например, охлаждаемые сопловые лопатки, блоки сопловых лопаток, охлаждаемые рабочие лопатки и др., изготовленное методом направленной кристаллизации с монокристаллической структурой кристаллографической ориентации (КГО) <001>, имеет пониженную статическую долговечность в диапазоне температур 800÷1000°С и недостаточную термоциклическую долговечность в интервале температур 100 ↔ 850°С и 100 ↔ 1050°С, что снижает ресурс работы изделия, и неудовлетворительный выход годного.
3
Техническая задача заявленного изобретения заключается в разработке литейного жаропрочного сплава на основе интерметаллида NiAl с монокристаллической структурой кристаллографической ориентации <001> и способа его получения, обладающего повышенными характеристиками статической и термоциклической долговечности при средних температурах.
3
Техническим результатом предлагаемого изобретения является разработка литейного жаропрочного сплава на основе интерметаллида NiAl с монокристаллической структурой КГО <001> и способа его получения, заключающегося в изготовлении отливок методом высокоградиентной направленной кристаллизации с температурным градиентом на фронте кристаллизации 80÷150°С/см и обладающего повышенной статической долговечностью (по времени до разрушения) при температурах 800, 900 и 1000°С и термоциклической долговечностью (по количеству циклов до разрушения) в интервале температур 100 ↔ 850°С и 100 ↔ 1050°С и высоким выходом годного.
3
Для достижения поставленного технического результата предложен жаропрочный литейный сплав на основе интерметаллида NiАl, содержащий алюминий, никель, хром, вольфрам, молибден, титан, цирконий, при этом он дополнительно содержит кобальт, лантан и кальций при следующем соотношении компонентов, мас. %:
алюминий
8,0-9,0
хром
5,0-6,5
вольфрам
2,5-4,5
Молибден
3,0-4,5
титан
0,8-1,5
цирконий
0,01-0,08
кобальт
0,1-0,5
лантан
0,005-0,05
кальций
0,001-0,01
никель и неизбежные примеси
остальное
3
Заявлен также способ получения вышеприведенного жаропрочного литейного сплава на основе интерметаллида NiАl, включающий вакуумную индукционную выплавку интерметаллидного сплава, вакуумный индукционный переплав методом высокоградиентной направленной кристаллизации с монокристаллической структурой, при этом при вакуумной индукционной выплавке проводят расплавление в вакууме шихтовых материалов, присадку в расплав активных легирующих и рафинирующих добавок, причем в качестве шихтовых материалов используют никель, хром, вольфрам, молибден и кобальт, количество которого составляет 0,1-0,5 мас. %, в качестве активных легирующих добавок в расплав вводят алюминий, титан и цирконий, а в качестве рафинирующих добавок в расплав последовательно вводят кальций в количестве 0,001-0,01 мас. % и лантан в количестве 0,005-0,05 мас. %.
Предпочтительно, вакуумный индукционный переплав проводят методом высокоградиентной направленной кристаллизации с температурным градиентом на фронте кристаллизации 80÷150°С/см с монокристаллической структурой кристаллографической ориентации <001>.
Предпочтительно, при вакуумном индукционном переплаве расплав перегревают на 200-260°С выше температуры ликвидуса сплава, выдерживают в индукционном тигле в течение 1-3 мин и заливают в керамические формы, прогретые в печи подогрева до температур на 200-260°С выше температуры ликвидуса сплава.
Предпочтительно, заливку расплава при высокоградиентной направленной кристаллизации проводят в керамические формы с монокристаллической затравкой кристаллографической ориентации <001>.
Предпочтительно, после заливки расплава в керамические формы их перемещают со скоростью 5÷10 мм/мин в ванну охлаждения.
3
2
2
3
2
4
Интерметаллидное соединение NiАl (γ'-фаза) имеет упорядоченную гранецентрированную кубическую решетку (ГЦК) типа L1, способное растворять в себе по принципу замещения переходные металлы с сохранением высокой степени порядка и координации структуры L1. Позицию никеля замещают атомы Со, Cr, Mo, W; позицию алюминия - Ti, Zr, Cr, Mo, W в кристаллической решетке соединения NiАl по степени снижения способности замещения. Согласно теории гетерофазного строения интерметаллидный сплав должен быть несколько разупорядочен (иметь степень порядка S<1), что достигается легированием или воздействием термической обработки, при этом фазовый состав будет распадаться с выделением неупорядоченной γ-фазы в количестве ~10-15% (по массе), что способствует формированию самоорганизующейся структуры. Образование неупорядоченной γ-фазы в некоторой степени решает вопрос повышенной хрупкости интерметаллидного соединения при комнатной температуре. Легирующие элементы Со, Cr, Mo, W в первую очередь будут замещать позицию Ni в γ-твердом растворе никеля. Дополнительно легируя литейный интерметаллидный сплав кобальтом в количестве 0,1-0,5% масс., мы изменяем соотношение фаз в сплаве в сторону увеличения содержания γ-фазы, таким образом, обеспечивая технологическую пластичность при отливке полуфабрикатов. Кобальт также снижает энергию дефектов упаковки структуры и затрудняет поперечное скольжение дислокаций, что приводит к повышению термоциклической долговечности в интервалах температур 100 ↔ 850°С и 100 ↔ 1050°С. Введение лантана в количестве 0,005-0,05% масс, при заявленных пределах легирования основными элементами, в частности, алюминием и хромом, способствует образованию сложной оксидной пленки типа NiО•CrАlO, плотно прилегающей к основному сплаву и сохраняющей свою сплошность до 1200°С, что положительно сказывается на термоциклической долговечности сплава. Частицы с повышенным содержанием лантана препятствуют продвижению дислокаций и распространению трещины по границам дендритов, что благоприятно отражается на статической долговечности при температурах 800, 900 и 1000°С. Кальций в заявленных количествах 0,001-0,01% масс. вводится для рафинирования расплава, снижения содержание газов, в первую очередь, кислорода.
3
Пример 1. Выплавку литейного жаропрочного сплава на основе интерметаллида NiАl проводили на чистых шихтовых материалах вакуумным индукционным методом. После расплавления шихты при температуре 1550-1570°С, состоящей из никеля, хрома, вольфрама, молибдена и кобальта, производили последовательно присадку титана, циркония и алюминия при температуре 1450-1470°С, затем проводили рафинирование поочередно кальцием и лантаном в виде лигатур никель- кальций и никель-лантан. Отливку заготовок под образцы проводили вакуумным индукционным методом на установке для высокоградиентной направленной кристаллизации, в которой в качестве охладителя используется жидкое олово. Предварительно в керамические формы помещали монокристаллические затравки кристаллографической ориентации <001>. Навеску от прутковой (шихтовой) заготовки жаропрочного интерметаллидного сплава расплавляли в индукционном тигле, при этом температура расплава достигала Т=1580÷1600°С, жидкий металл перед сливом выдерживали в тигле 1÷2 мин, затем расплав сливали в керамическую форму нагретую в печи подогрева форм до Т=1580÷1600°С. Керамическую форму с залитым в нее жидким металлом перемещали в ванну охлаждения со скоростью 5÷6 мм/мин при температурном градиенте на фронте кристаллизации 80°С/см. После охлаждения формы и удаления керамики литые заготовки под образцы отрезали от подложки и подвергали травлению в смеси соляной кислоты и перекиси водорода на наличие макрограниц. А отрезанные конуса, к которым передавалась кристаллографическая ориентация <001> от затравок, подвергали проверке на разориентацию рентгеноструктурным методом. Установлено после макротравления и контроля затравок, что 9 литых прутков из 10 имеют монокристаллическую структуру с КГО <001> с минимальной разориентацией субзерен от 3 до 5°.
3
Пример 2. Выплавку литейного жаропрочного сплава на основе интерметаллида NiАl проводили на чистых шихтовых материалах вакуумным индукционным методом с экспресс-анализом по основным легирующим элементам и возможностью дошихтовки в процессе плавки. После расплавления шихты при температуре 1550-1570°С, состоящей из никеля, хрома, вольфрама, молибдена и кобальта, производили последовательно присадку титана, циркония и алюминия при температуре 1460-1480°С, затем проводили рафинирование поочередно кальцием и лантаном в виде лигатур никель-кальций и никель-лантан. Отливку заготовок под образцы проводили вакуумным индукционным методом на установке для высокоградиентной направленной кристаллизации, в которой в качестве охладителя используется жидкое олово. Навеску от прутковой (шихтовой) заготовки жаропрочного интерметаллидного сплава расплавляли в индукционном тигле, при этом температура расплава достигала Т=1600÷1620°С, жидкий металл перед сливом выдерживали в тигле 1+2 мин, затем расплав сливали в керамическую форму нагретую в печи подогрева форм до Т=1600÷1620°С. Керамическую форму с залитым в нее жидким металлом перемещали в ванну охлаждения со скоростью 7÷8 мм/мин при температурном градиенте на фронте кристаллизации 120°С/см. После макротравления и контроля затравок установлено, что 9 литых прутков из 10 имеют монокристаллическую структуру с КГО <001>, а на десятом прутке от середины его длины появляется субзерно с разориентацией до 10°.
3
Пример 3. Выплавку литейного жаропрочного сплава на основе интерметаллида NiАl проводили на чистых шихтовых материалах вакуумным индукционным методом. После расплавления шихты при температуре 1550-1570°С, состоящей из никеля, хрома, вольфрама, молибдена и кобальта, производили последовательно присадку титана, циркония и алюминия при температуре 1480-1500°С, затем проводили рафинирование поочередно кальцием и лантаном в виде лигатур никель-кальций и никель-лантан. Отливку заготовок под образцы проводили вакуумным индукционным методом на установке для высокоградиентной направленной кристаллизации, которая помимо ванны охлаждения оснащена тепловыми экранами. Навеску от прутковой (шихтовой) заготовки жаропрочного интерметаллидного сплава расплавляли в индукционном тигле, при этом температура расплава достигала Т=1620÷1640°С, жидкий металл перед сливом выдерживали в тигле 1+2 мин, затем расплав сливали в керамическую форму нагретую в печи подогрева форм до Т=1620÷1640°С. Керамическую форму с помещенными в нее затравками КГО <001> и залитым жидким сплавом перемещали в ванну охлаждения со скоростью 8÷10 мм/мин при температурном градиенте на фронте кристаллизации 150°С/см. После макротравления и контроля затравок установлено, что все 10 литых прутков имеют монокристаллическую структуру с КГО <001> с минимальной разориентацией субзерен от 3 до 5°.
3
3
Составы предлагаемого жаропрочного литейного сплава на основе интерметаллида NiАl и режимы его получения представлены в таблице №1. Свойства, в частности статическая и термоциклическая долговечность и выход годного, полученных образцов из жаропрочного литейного сплава на основе интерметаллида NiАl и сплава-прототипа приведены в таблице №2.
3
Из таблицы №2 видно, что свойства предлагаемого жаропрочного литейного сплава на основе интерметаллида NiАl, изготовленного по предлагаемому способу, выше, чем свойства образцов сплава-прототипа: статическая долговечность по времени до разрушения при температуре 800°С и напряжении 480 МПа - на 40,2-55,9%; статическая долговечность по времени до разрушения при температуре 900°С и напряжении 260 МПа - на 34,0-44,0%; статическая долговечность по времени до разрушения при температуре 1000°С и напряжении 150 МПа - на 26,7-36,2%; термоциклическая долговечность в интервале температур 100 ↔ 850°С, при размахе напряжения 1080 МПа - на 49,7-53,8%; термоциклическая долговечность в интервале температур 100 ↔ 1050°С, при размахе напряжения 590 МПа - на 32,3-36,7%; выход годного - на 35,7%.
3
Использование предлагаемого жаропрочного литейного сплава на основе интерметаллида NiАl, полученного по предлагаемому способу, для изготовления изделий, в частности, охлаждаемых сопловых лопаток, блоков сопловых лопаток, охлаждаемых рабочих лопаток и др., позволяет повысить прочностные характеристики по сравнению с серийными материалами ~ на 30%, что соответственно увеличит ресурс их работы, а повышение выхода годного - на 35,7% при изготовлении отливок по предлагаемому способу увеличивает КИМ изделия.