КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ НИОБИЯ, УПРОЧНЕННЫЙ СИЛИЦИДАМИ НИОБИЯ, И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО

Изобретение относится к разработке высокотемпературных композиционных материалов, преимущественно эвтектических композиционных материалов на основе ниобия, упрочненных силицидами ниобия, предназначенных для изготовления теплонагруженных изделий, в частности лопаток горячего тракта газотурбинных двигателей (ГТД), длительно работающих при температурах 1300-1350°C, и может быть использовано в авиационной и энергетической промышленности.

Известны композиционные материалы системы Nb-Si-Ti и легированной системы Nb-Si-Ti-Hf-Cr-Al, матрицей которых служит ниобиевый твердый раствор, а упрочнителями - силициды ниобия. Эти композиционные материалы получают методами порошковой металлургии, включающими перемешивание исходных порошков в аттриторах, с последующим горячим изостатическим прессованием порошковой смеси при температурах 1450°C-1550°C и давлении 25-35 МПа не более 5 минут. Наряду с невысокой кратковременной прочностью при 1350°C, равной 20-30 МПа, данные композиционные материалы обладают существенным недостатком, заключающимся в невозможности изготавливать из них полые охлаждаемые лопатки первой ступени турбин высокого давления перспективных авиационных ГТД (патент РФ №2393060, опубл. 27.06.2010 г.).

С целью повышения кратковременной и длительной прочности (жаропрочности) при повышенных температурах, применяют более сложные системы легирования, а также используют литейные технологии, в частности методы направленной кристаллизации. Так, известен композиционный материал следующего химического состава, ат.%:

а также изделие, выполненное из него (патент США №7,704,335, опубл. 27.04.2010 г.).

Данный композиционный материал изготавливают в две стадии. Вначале методом вакуумно-дуговой выплавки получают слиток-прекурсор указанного состава, затем по выплавляемым моделям проводят направленную кристаллизацию фасонных деталей, близких по размерам и форме к лопаткам ГТД. Основной недостаток такого композиционного материала и изделия, выполненного из него, - высокая стоимость, т.к. в состав материала входит редкий элемент рений, а также элемент платиновой группы рутений. Другой недостаток заключается в большой плотности композиционного материала и изделия, выполненного из него, поскольку материал содержит тяжелые легирующие элементы, такие как вольфрам, тантал, рений.

Наиболее близким аналогом (прототипом) заявленного изобретения является композиционный материал MASC (Metal And Silicide Composite), разработанный американской фирмой General Electric, следующего химического состава, ат.%:

(В.Р. Bewlay, M.R. Jackson, H.A. Lipsitt, The Balance of Mechanical and Environmental Properties of a Multielement Niobium-Niobium Silicide-Based In Situ Composites.//Metallurgical and Materials Transactions, V. 27A, December, 1996, pp. 3801-3803).

Проведенные исследования показали, что композиционный материал по прототипу обладает недостаточно высокой кратковременной и длительной прочностью (жаропрочностью) при повышенных температурах. Достигнутые значения кратковременной прочности σ на изгиб составили 450 МПа при 1350°C, а длительная прочность (жаропрочность) σ₁₀₀ при температуре 1300°C равнялась 11,2 МПа, при плотности ρ, равной 7,0 г/см³.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание композиционного материала на основе ниобия и изделия, выполненного из него, улучшенного качества, способных работать при высоких температурах. Техническим результатом изобретения является повышение кратковременной прочности σ композиционного материала на основе ниобия, упрочненного силицидами ниобия, и изделия, выполненного из него, при 1350°C до значений не менее 500 МПа, а также длительной прочности σ₁₀₀ при 1300°C до значений не менее 50 МПа, при плотности ρ не более 7,5 г/см³.

Для достижения заявленного технического результата предложен композиционный материал на основе ниобия, упрочненный силицидами ниобия, содержащий кремний, титан, гафний, алюминий, хром, который дополнительно содержит цирконий, молибден и иттрий, при следующем соотношении компонентов, ат.%:

а также изделие, которое выполнено из предложенного композиционного материала. Предложенный композиционный материал может содержать силицид ниобия Nb₅Si₃ и/или силицид ниобия Nb₃Si. Содержание силицидов ниобия в композиционном материале может составлять не более 50 объемных %.

Легирование твердого раствора ниобия цирконием и молибденом повышает его прочность. Это происходит вследствие того, что данные элементы хорошо растворяются в ниобии, при этом цирконий оказывает модифицирующее действие на направленную структуру композиционного материала, а молибден повышает предел текучести композиционного материала, но понижает вязкость разрушения. Совместное легирование цирконием и молибденом оказывает рафинирующее действие на структуру материала после термической обработки. Введение циркония, молибдена и иттрия в содержании, ниже минимально заявленного, не обеспечивает необходимых прочностных характеристик композиционного материала. Превышение максимально заявленного содержания указанных элементов приводит к появлению структурных дефектов, повышающих хрупкость материала.

Эвтектическая концентрация кремния в бинарной диаграмме Nb-Si равна 16 атомных %, и поэтому концентрация кремния в композиционном материале должна отклоняться от этой величины не более чем на 1 атомный % в большую или меньшую сторону, при этом содержание интерметаллидной фазы силицидов ниобия в композиционном материале будет составлять около 50 объемных %.

Оптимальное соотношение компонентов композиционного материала на основе ниобия, упрочненного силицидами ниобия, позволяет повысить его высокотемпературные прочностные свойства с одновременным снижением скорости окисления. Этому в значительной степени способствует введение хрома, алюминия и иттрия в состав композиционного материала. Гафний оказывает дополнительное упрочняющее действие на твердый раствор ниобия. В свою очередь, титан улучшает пластичность металлической матрицы композиционного материала и тем самым также способствует повышению его высокотемпературных прочностных свойств.

Применение изделий из предложенного композиционного материала на основе ниобия малой плотности, не более 7,5 г/см³, в частности рабочих лопаток ГТД, обладающих заявленными значениями прочности, позволяет поднять температуру газа на входе в турбину до 2000-2200 К, уменьшив при этом вес роторной части турбины высокого давления на 12-15% и повысив тем самым удельную тягу двигателя.

Пример осуществления изобретения

Для получения прекурсоров предложенного композиционного материала и материала-прототипа применяли индукционную плавку во взвешенном состоянии в атмосфере аргона. Полученный расплав выливали в медную изложницу. Непосредственно композиционные материалы получали методом направленной кристаллизации в вакуумной установке.

В процессе направленной кристаллизации прекурсоров состава, близкого к эвтектическому, были выплавлены композиционные материалы четырех составов, матрицей которых служил твердый раствор ниобия, а упрочняющей фазой - ориентированные пластины силицидов ниобия Nb₃Si, Nb₅Si₃ с объемным содержанием 45%.

В связи с отсутствием ГОСТа, регламентирующего высокотемпературные испытания на изгиб, данные испытания проводили следующим образом. Кратковременную прочность определяли методом испытания на трехточечный изгиб в вакууме при температуре 1350°C. Длительную прочность в течение 100 часов определяли также по результатам испытания на изгиб при 1300°C в режиме ползучести при двух различных нагрузках. Плотность образцов оценивали методом взвешивания.

Предложенный композиционный материал был выплавлен в трех составах, четвертый композиционный материал был выплавлен по прототипу. Содержание элементов в исследуемых композиционных материалах, их прочностные свойства и плотность приведены в таблице.

Из полученных композиционных материалов методом прецизионного литья по выплавляемым моделям в высокоградиентной установке для направленной кристаллизации изготовили лопатки турбин высокого давления ГТД. Оболочковые формы для отливки лопаток были получены методом покраски с использованием порошка из плавленого оксида иттрия Y₂O₃, инертного к ниобиевым расплавам при высоких температурах.

Как следует из таблицы, разработанный композиционный материал при температуре 1350°C имел кратковременную прочность, равную 508-584 МПа, и 100-часовой предел длительной прочности при температуре 1300°C, равный 56-61 МПа при плотности, равной 7,3-7,5 г/см³. Таким образом, предложенный композиционный материал на основе ниобия, упрочненный силицидами ниобия, и изделие, выполненное из него, по обоим показателям прочности значительно превосходят прототип, сохраняя значение плотности на уровне прототипа, и обеспечивают заявленный технический результат.