Результат интеллектуальной деятельности: СПЛАВ НА ОСНОВЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДА NiAl И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным жаропрочным сплавам на основе интерметаллида Ni₃Al, предназначенным для изготовления методом направленной кристаллизации и монокристаллического литья, например, сопловых и рабочих лопаток, блоков сопловых лопаток, сегментов камеры сгорания, створок и других деталей горячего тракта газотурбинных двигателей авиационной промышленности.

Известен сплав (патент US 6106640, МПК С22С 19/05, С22С 019/05; опубл. 22.08.2000) на основе интерметаллида Ni₃Al со следующим химическим составом, атомн. %:

Сплав обладает недостаточной прочностью при растяжении при повышенных температурах. При температуре 1200°C предел прочности составляет 130 МПа, предел ползучести - 127 МПа. Вследствие невысоких прочностных характеристик номенклатура изделий из этого сплава ограничена.

Известен сплав (патент РФ 2198233, МПК С22С 19/05, опубл. 10.02.2003 г.) на основе интерметаллида Ni₃Al, следующего химического состава, масс. %:

а также изделие, выполненное из этого сплава. Сплав обладает недостаточной жаропрочностью при температуре 1200 с на базе испытания 100 часов для кристаллографической ориентации (КТО) [001], что существенно сужает область применения изделий из этого сплава.

Известен сплав (патент РФ 2256716, МПК С22С 19/05, опубл. 20.07.2005 г.) на основе интерметаллида Ni₃Al, следующего химического состава, масс. %:

а также изделие, выполненное из этого сплава.

Сплав обладает недостаточной кратковременной прочностью и пределом текучести при комнатной температуре, низким уровнем жаростойкости при температурах выше 1100°C, что существенно сужает область применения изделий из этого сплава.

Известен сплав (патент РФ 2484167, МПК С22С 19/05, опубл. 10.06.2013 г.) на основе интерметаллида Ni₃Al, следующего химического состава, масс. %:

а также изделие, выполненное из этого сплава.

Сплав обладает недостаточной кратковременной прочностью и пределом текучести при комнатной температуре.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип (патент РФ 2434068, МПК С22С 19/05, опубл. 20.11.2011 г.), является сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, имеющий химический состав, масс. %:

а также изделие, выполненное из этого сплава.

Значения кратковременной прочности ( ) и предела текучести ( ) при комнатной температуре для КГО [001] составляют 950 МПа и 700 МПа соответственно, что является недостаточным уровнем для обеспечения требуемой надежности и ресурса работы деталей ГТД.

Технической задачей и техническим результатом предлагаемого изобретения являются повышение жаропрочности при температуре 1200°C на базе 100 часов, кратковременной прочности и предела текучести при комнатной температуре для КГО [001] сплава на основе интерметаллида Ni₃Al и изделия, выполненного из этого сплава.

Для достижения поставленного технического результата предлагается сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, содержащий алюминий, хром, молибден, вольфрам, титан, тантал, рений, кобальт, углерод, лантан, гафний, цирконий, иттрий, никель, который дополнительно содержит неодим, эрбий, празеодим при следующем соотношении компонентов, масс. %:

и изделие, выполненное из этого сплава.

Было установлено, что при введении в предлагаемый сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, редкоземельных металлов неодима, празеодима и эрбия в заявленном соотношении, наблюдается связывание кислорода в соединения (Nd,Pr,Er)₂О₃, затруднение скольжения дислокаций, за счет образования атмосфер Котрелла, упрочнение γ-твердого раствора сплава и образование мелкодисперсных интерметаллидных фаз типа Er₂Al₃, (Nd,Pr,Er)Al, ErRe₂, (Nd,Pr,Er)Ni₅, (Nd,Pr,Er)ZrAl₂, что приводит к снижению ликвационной неоднородности, повышению жаропрочности при температуре 1200°C на базе 100 часов, повышению кратковременной прочности и предела текучести при комнатной температуре для КГО [001], а также к повышению жаростойкости сплава при температуре 1200°C.

Использование предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Al и изделий, выполненных из этого сплава, приводит к повышению надежности изделий, таких как рабочие и сопловые лопатки, и увеличивает ресурс их работы за счет повышения жаропрочности, кратковременной прочности ( ) и предела текучести ( ) при комнатной температуре для КГО [001] сплава.

Примеры осуществления изобретения

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 стальные трубы диаметром 90 мм отбирали стружку на химический анализ. Результаты химического анализа составов предлагаемого сплава и сплава-прототипа приведены в таблице 1.

Содержание легирующих элементов, газов, примесей, таких как сера, фосфор, сурьма, висмут, определяли по стандартным методикам.

Затем выплавленные сплавы переплавляли в вакуумной установке для высокоградиентной направленной кристаллизации и получали заготовки с монокристаллической структурой, главная ось симметрии которых совпадала с кристаллографическим направлением роста [001], в виде отливок (диаметр 16 мм, длина 185 мм). Из полученных монокристаллических отливок изготавливали образцы для механических испытаний на растяжение и длительную прочность, а также образцы для испытаний на жаростойкость.

Механические свойства предлагаемого сплава с различным соотношением компонентов и сплава-прототипа определяли на стандартных образцах с КГО [001] при соотношении l/d=5 по ГОСТ 1497, ГОСТ 9651, ГОСТ 10145. Критерием являются средние значения из 10 образцов на точку с доверительной вероятностью 0,8.

Испытания на жаростойкость предлагаемого сплава с различным соотношением компонентов и сплава-прототипа проводили в соответствии с ГОСТ 6130.

Механические свойства и коррозионная стойкость предлагаемого сплава с различным соотношением компонентов и сплава-прототипа, полученных по одной и той же технологической схеме, приведены в таблице 2.

Из таблицы 2 видно, что свойства предлагаемого сплава на основе интерметаллида Ni₃Al выше, чем свойства сплава-прототипа: время до разрушения при температуре 1200°C при напряжении - на 30-55%, предел прочности ( ) - на 2-5%, предел прочности ( ) - на 3-6%, жаростойкость по привесу за 100 часов при температуре 1200°C - на 75-90%.