×
10.06.2013
216.012.489b

СПЛАВ НА ОСНОВЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДА NiAl И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству сплавов на основе интерметаллида NiАl и изделиям, получаемым из них методом направленной кристаллизации, с монокристаллической или столбчатой структурами, например лопаток газовых турбин, работающих при температурах до 1200°С. Сплав характеризуется повышенными характеристиками кратковременной прочности в интервале температур 20-1200°С и длительной прочности в интервале температур 1000-1200°С. Сплав содержит, мас.%: 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. Повышается надежность и ресурс выполненных из заявленного сплава турбинных лопаток с монокристаллической структурой при рабочих температурах до 1200°С. 2 н.п. ф-лы, 2 табл., 4 пр.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству сплавов на основе интерметаллида Ni3Al и изделиям, получаемым из них методом направленной кристаллизации, с монокристаллической или столбчатой структурами, например лопаток газовых турбин, работающих при температурах до 1200°C.

Известен сплав на основе интерметаллида Ni3Аl следующего химического состава, атомн.%:

Алюминий 15,5-10,0
Хром 4-8
Молибден 3,5-5,5
Цирконий 0,04-0,2
Бор 0,04-1,5
Никель остальное

(патент США №6106640)

Известный сплав обладает недостаточной прочностью при растяжении и жаропрочностью при температуре 1200°С. Сплав имеет предел прочности 130 МПа, предел текучести 127 МПа; при температуре 1040°С и напряжении 11,9 МПа время до разрушения при испытании на длительную прочность сплава составляет 137,9 ч.

Из известного сплава изготавливают детали горячего тракта газотурбинного двигателя.

Известен сплав на основе интерметаллида Ni3Al 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
Углерод 0,001-0,02
Кобальт 4,0-6,0
Рений 1,2-1,8
Лантан 0,002-0,200
Цирконий 0,05-0,5
Никель Остальное

и изделие, выполненное

из него (патент РФ №2256716)

Недостатком известного сплава и изделия с монокристаллической структурой, например рабочие лопатки газовой турбины, выполненные из этого сплава, является склонность к образованию топологически плотноупакованных (ТПУ) фаз при длительном воздействии высоких температур. Отрицательное влияние ТПУ фаз на свойства сплава и изделия проявляется в том, что они служат источником зарождения микротрещин, ведущих к преждевременному разрушению изделий, выполненных из него. Кроме этого, ТПУ фазы связывают значительное количество легирующих элементов Re, Mo, W и, тем самым, обедняют ими фазы на основе интерметаллида Ni3Al (γ'-фаза) и на основе никеля (γ-фаза), повышая скорость диффузии атомов компонентов сплава и, следовательно, понижая сопротивление высокотемпературной ползучести. В результате известный сплав и изделия, выполненные из него, обладают недостаточной прочностью при растяжении и жаропрочностью: при температуре 1200°С сплав с монокристаллической структурой в кристаллографическом направлении [001] имеет предел прочности ~170 МПа, предел текучести ~165 МПа; долговечность сплава при испытании на длительную прочность при напряжении 40 МПа составляет ~90 ч.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является сплав на основе интерметаллида Ni3Al, имеющий следующий химический состав, масс.%:

Алюминий 7,8-9,0
Хром 4,5-5,5
Молибден 4,5-5,5
Вольфрам 1,8-2,5
Титан 0,6-1,2
Углерод 0,007-0,02
Кобальт 3,5-4,5
Лантан 0,0015-0,015
Никель остальное (патент РФ №2114206)

Сплав-прототип с монокристаллической структурой в кристаллографическом направлении [001] обладает недостаточно высокими характеристиками кратковременной и длительной прочности, что не обеспечивает достижения требуемых показателей надежности и ресурса изделий с монокристаллической структурой в кристаллографическом направлении [001], например сопловых лопаток газовой турбины, выполненных из сплава-прототипа.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание сплава на основе интерметаллида Ni3Al и изделия, выполненного из него, обладающих повышенными характеристиками кратковременной прочности в интервале температур 20-1200°С и длительной прочности в интервале температур 1000-1200°С.

Для достижения поставленной технической задачи предлагается сплав на основе интерметаллида Ni3Al, содержащий алюминий, хром, молибден, вольфрам, углерод, кобальт, лантан, который дополнительно содержит рений, тантал и церий при следующем соотношении компонентов, 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

и изделие, выполненное из него

При дополнительном легировании танталом предлагаемого сплава повышение характеристик кратковременной и длительной прочности достигается за счет увеличения периода кристаллической решетки интерметаллидной γ'-фазы на основе Ni3Al, содержание которой в структуре сплава составляет ~90% (по объему). Тантал в основном растворяется в γ'-фазе сплава с коэффициентом распределения между γ'-фазой и равновесным с ней γ-раствором, равным ~3. Поэтому действие тантала в заявленном соотношении вызывает значительно большее увеличение периода кристаллической решетки интерметаллидной γ'-фазы по сравнению с влиянием других компонентов сплава на этот важный фактор прочности и жаропрочности.

Введение в состав сплава на основе интерметаллида Ni3Al рения, который растворяется практически полностью в γ-фазе, занимающей в структуре сплава ~10% (по объему), понижает диффузионную подвижность атомов компонентов в этой фазе, и, следовательно, повышает их высокотемпературные характеристики кратковременной прочности и сопротивление длительной высокотемпературной ползучести.

Введение в состав предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni3Al редкоземельного элемента церия за счет синергетического действия с редкоземельным элементом лантаном при заявленном соотношении остальных легирующих элементов значительно усиливает влияние этих редкоземельных элементов на упрочнение межфазных поверхностей раздела в сплаве на основе интерметаллида Ni3Al между γ'-фазой и равновесным с ней γ-твердым раствором, усиливая при высоких температурах сопротивление высокотемпературной ползучести, окислению и коррозии сплава и изделия из него.

Исключение из химического состава заявляемого сплава на основе интерметаллида Ni3Al титана наряду с легированием более тугоплавкими элементами танталом и рением способствует увеличению температуры плавления сплава и изделия из него и тем самым понижает их гомологическую температуру. Поэтому в соответствии с известным соотношением Di=D0ехр(-18/Tгом) (здесь Di - коэффициенты диффузии легирующих i элементов, Тгом=T/Tпл - гомологическая температура) диффузионная подвижность атомов компонентов в таком сплаве будет ниже и, следовательно, длительная прочность выше.

Изделия из предлагаемого сплава, например лопатки газовых турбин, будут иметь повышенную долговечность, а следовательно, надежность и ресурс.

Примеры осуществления

В вакуумной индукционной печи были выплавлены три сплава предлагаемого состава и один сплав состава, взятого за прототип. Химические составы (в масс.%) предлагаемого сплава и сплава-прототипа приведены в таблице 1. Затем выплавленные сплавы переплавляли в вакуумной установке для направленной кристаллизации и получали изделия с монокристаллической структурой, главная ось симметрии которых совпадала с кристаллографическим направлением роста [001], в виде отливок (диаметр 16 мм, длина 185 мм). Далее из этих отливок изготавливали образцы для дифференциального термического анализа, по результатам которого определяли температуру плавления Тпл. С учетом измеренной температуры плавления отливки с монокристаллической структурой подвергали высокотемпературной термической обработке, включающей гомогенизирующий отжиг с последующим охлаждением с контролируемой скоростью. Из термически обработанных таким образом монокристаллических отливок изготавливали образцы для механических испытаний (длина образца 70 мм, рабочая база 25 мм, рабочий диаметр 5 мм) на растяжение и длительную прочность и рентгеноструктурного анализа, по результатам которых определяли предел прочности, предел текучести, длительную прочность и период кристаллической решетки γ'-фазы. Механические испытания проводили в атмосфере воздуха при температурах 20 и 1200°С, длительную прочность - при температурах 1000 и 1200°С и напряжениях 170 и 50 МПа соответственно, определение периода кристаллической решетки γ'-фазы осуществлялось при комнатной температуре. Полученные характеристики композиций сплава-прототипа, заявляемого сплава и изделий, выполненных из него, приведены в таблице 2.

Как видно из таблицы 2, предлагаемый сплав имеет более высокие значения температуры плавления (на 12-20°С), периода кристаллической решетки γ'-фазы (на 0,0006-0,0008 нм), чем сплав, взятый за прототип. В результате повышения этих структурно-фазовых характеристик и совместного действия редкоземельных элементов характеристики кратковременной прочности при температурах 20 и 1200°С предлагаемого сплава соответственно на 46-70% и 44-47% больше, чем сплава и изделий из него, взятого за прототип.

Таблица 1
№ п/п Al Cr Mo W Ti С Со La Та Re Се Ni
1 Сплав-прототип 8,5 5,0 5,0 2,1 0,9 0,01 4,0 0,015 - - - Ост.
2 Предлагаемый сплав 8,0 4,0 5,0 2,0 - 0,002 6,0 0,25 6,4 0,15 0,001 Ост.
3 8,4 3,5 4,5 3,0 - 0,05 4,0 0,005 5,6 0,4 0,01 Ост.
4 8,8 3,0 4,0 2,5 - 0,02 5,0 0,12 6,0 0,65 0,02 Ост.

Таблица 2
№ п/п Сплав Тпл, °C αγ', нм σB (20°C) σ0,2 (20°С) σB (1200°С) σ0,2 (1200°С) Время до разрушения при испытании на длительную прочность, ч
МПа 1000°С, σ=170, МПа 1200°С, σ=50, МПа
1 Сплав-прототип 1318 0,35739 548 323 195 187 59 68
2 Предлагаемый сплав 1331 0,35819 870 550 315 300 112 117
3 1330 0,35805 840 550 290 285 105 93
4 1338 0,35801 820 560 280 275 94 98
Тпл - температура плавления; αγ' - период кристаллической решетки γ' - фазы на основе интерметаллида Ni3Al; σB - предел прочности; σ0,2 - предел текучести; σ - напряжение

Характеристика длительной прочности - долговечность (время до разрушения) - предлагаемого сплава больше в 1,6 раза при температуре 1000°С и в 1,4 раза при температуре 1200°С, чем сплава-прототипа.

Повышенные значения температуры плавления и характеристик высокотемпературной прочности, которые имеет предлагаемый сплав по сравнению со сплавом, взятым за прототип, позволяют получать из предлагаемого сплава при направленной кристаллизации более совершенную монокристаллическую структуру отливок деталей с заданным кристаллографическим направлением.

Таким образом, предлагаемый сплав на основе интерметаллида Ni3Al значительно превосходит сплав-прототип по характеристикам кратковременной и длительной прочности, что позволяет повысить надежность и ресурс турбинных лопаток с монокристаллической структурой при рабочих температурах до 1200°С.

Источник поступления информации: Роспатент

Showing 1-10 of 369 items.
10.01.2013
№216.012.18ce

Клеевая композиция

Изобретение относится к клеевой композиции для крепления резин на основе полярных и неполярных каучуков между собой и к металлам в изделиях авиационной, автомобильной промышленности и судостроения. Клеевая композиция включает бутадиеннитрильный каучук, фенолоформальдегидный олигомер,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002471842
Дата охранного документа: 10.01.2013
10.01.2013
№216.012.18fb

Способ нанесения покрытия для защиты от высокотемпературного окисления поверхности внутренней полости охлаждаемых лопаток турбин из безуглеродистых жаропрочных сплавов на основе никеля

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам получения жаростойких хромоалюминидных покрытий, и может быть использовано в авиационном и энергетическом турбиностроении. Проводят насыщение поверхности внутренней полости лопатки углеродом путем заполнения внутренней полости...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002471887
Дата охранного документа: 10.01.2013
20.04.2013
№216.012.36e0

Эпоксидная композиция холодного отверждения

Изобретение относится к области создания двухкомпонентных эпоксидных композиций холодного отверждения для изготовления препрегов, которые могут быть использованы в строительстве, а также в авиационной, машиностроительной, судостроительной и других областях техники. Предлагаемая эпоксидная...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002479601
Дата охранного документа: 20.04.2013
27.04.2013
№216.012.3a7d

Состав для получения защитного покрытия на стальных деталях

Изобретение относится к химической поверхностной обработке стальных деталей и может быть использовано при изготовлении валов газотурбинных двигателей, шасси вертолетов и других деталей для защиты от коррозии при эксплуатации в различных климатических условиях, в том числе при повышенных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002480534
Дата охранного документа: 27.04.2013
10.06.2013
№216.012.489a

Сплав на основе титана

Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к производству титановых сплавов, и может быть использовано в конструкциях, работающих при температурах до 650°С, например для деталей корпуса и статорных лопаток компрессора высокого давления газотурбинных двигателей. Сплав на основе титана...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002484166
Дата охранного документа: 10.06.2013
27.07.2013
№216.012.5951

Способ изготовления полых изделий из композиционных материалов

Изобретение относится к области технологии формования конструкций из полимерных композиционных материалов, предназначенных для изготовления быстровозводимых арочных мостов, при сооружении тоннелей, ангаров и других строительных конструкций. Согласно способу заполняют газом надувную внутреннюю...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002488486
Дата охранного документа: 27.07.2013
27.07.2013
№216.012.59cf

Эпоксидная композиция для изготовления изделий из полимерных композиционных материалов методом вакуумной инфузии

Изобретение относится к эпоксидным композициям холодного отверждения и может быть использовано для изготовления конструкций, в том числе крупногабаритных, из полимерных композиционных материалов (ПКМ) методом вакуумной инфузии в областях техники. Эпоксидная композиция включает эпоксидную...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002488612
Дата охранного документа: 27.07.2013
27.08.2013
№216.012.6531

Устройство для неразрушающего контроля труднодоступных элементов конструкции

Использование: для неразрушающего контроля труднодоступных элементов конструкции. Сущность: заключается в том, что устройство для неразрушающего контроля труднодоступных элементов конструкции включает приводной блок, имеющий, по крайней мере, один магнит, расположенный на внешней поверхности...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002491542
Дата охранного документа: 27.08.2013
10.09.2013
№216.012.670a

Способ получения монокристаллических изделий из никелевых жаропрочных сплавов с заданной кристаллографической ориентацией

Изобретение относится к металлургии. Способ включает отливку монокристаллической заготовки произвольной кристаллографической ориентации, ее травление на макроструктуру, определение ориентации заготовки как угла между ее геометрической осью и плоскостью выбранной кристаллографической ориентации,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002492025
Дата охранного документа: 10.09.2013
10.09.2013
№216.012.670b

Устройство для получения отливок с направленной и монокристаллической структурой

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано для получения лопаток стационарных ГТД и ГТУ, створок и проставок реактивного сопла, дисковых заготовок. Устройство содержит вакуумную камеру с торцевыми крышками, индукционную плавильную печь, печь подогрева литейных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002492026
Дата охранного документа: 10.09.2013
Showing 1-10 of 346 items.
10.01.2013
№216.012.18ce

Клеевая композиция

Изобретение относится к клеевой композиции для крепления резин на основе полярных и неполярных каучуков между собой и к металлам в изделиях авиационной, автомобильной промышленности и судостроения. Клеевая композиция включает бутадиеннитрильный каучук, фенолоформальдегидный олигомер,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002471842
Дата охранного документа: 10.01.2013
10.01.2013
№216.012.18fb

Способ нанесения покрытия для защиты от высокотемпературного окисления поверхности внутренней полости охлаждаемых лопаток турбин из безуглеродистых жаропрочных сплавов на основе никеля

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам получения жаростойких хромоалюминидных покрытий, и может быть использовано в авиационном и энергетическом турбиностроении. Проводят насыщение поверхности внутренней полости лопатки углеродом путем заполнения внутренней полости...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002471887
Дата охранного документа: 10.01.2013
20.04.2013
№216.012.36e0

Эпоксидная композиция холодного отверждения

Изобретение относится к области создания двухкомпонентных эпоксидных композиций холодного отверждения для изготовления препрегов, которые могут быть использованы в строительстве, а также в авиационной, машиностроительной, судостроительной и других областях техники. Предлагаемая эпоксидная...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002479601
Дата охранного документа: 20.04.2013
27.04.2013
№216.012.3a7d

Состав для получения защитного покрытия на стальных деталях

Изобретение относится к химической поверхностной обработке стальных деталей и может быть использовано при изготовлении валов газотурбинных двигателей, шасси вертолетов и других деталей для защиты от коррозии при эксплуатации в различных климатических условиях, в том числе при повышенных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002480534
Дата охранного документа: 27.04.2013
10.06.2013
№216.012.489a

Сплав на основе титана

Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к производству титановых сплавов, и может быть использовано в конструкциях, работающих при температурах до 650°С, например для деталей корпуса и статорных лопаток компрессора высокого давления газотурбинных двигателей. Сплав на основе титана...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002484166
Дата охранного документа: 10.06.2013
27.07.2013
№216.012.5951

Способ изготовления полых изделий из композиционных материалов

Изобретение относится к области технологии формования конструкций из полимерных композиционных материалов, предназначенных для изготовления быстровозводимых арочных мостов, при сооружении тоннелей, ангаров и других строительных конструкций. Согласно способу заполняют газом надувную внутреннюю...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002488486
Дата охранного документа: 27.07.2013
27.07.2013
№216.012.59cf

Эпоксидная композиция для изготовления изделий из полимерных композиционных материалов методом вакуумной инфузии

Изобретение относится к эпоксидным композициям холодного отверждения и может быть использовано для изготовления конструкций, в том числе крупногабаритных, из полимерных композиционных материалов (ПКМ) методом вакуумной инфузии в областях техники. Эпоксидная композиция включает эпоксидную...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002488612
Дата охранного документа: 27.07.2013
27.08.2013
№216.012.6531

Устройство для неразрушающего контроля труднодоступных элементов конструкции

Использование: для неразрушающего контроля труднодоступных элементов конструкции. Сущность: заключается в том, что устройство для неразрушающего контроля труднодоступных элементов конструкции включает приводной блок, имеющий, по крайней мере, один магнит, расположенный на внешней поверхности...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002491542
Дата охранного документа: 27.08.2013
10.09.2013
№216.012.670a

Способ получения монокристаллических изделий из никелевых жаропрочных сплавов с заданной кристаллографической ориентацией

Изобретение относится к металлургии. Способ включает отливку монокристаллической заготовки произвольной кристаллографической ориентации, ее травление на макроструктуру, определение ориентации заготовки как угла между ее геометрической осью и плоскостью выбранной кристаллографической ориентации,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002492025
Дата охранного документа: 10.09.2013
10.09.2013
№216.012.670b

Устройство для получения отливок с направленной и монокристаллической структурой

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано для получения лопаток стационарных ГТД и ГТУ, створок и проставок реактивного сопла, дисковых заготовок. Устройство содержит вакуумную камеру с торцевыми крышками, индукционную плавильную печь, печь подогрева литейных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002492026
Дата охранного документа: 10.09.2013
+ добавить свой РИД