Жароміцний інтерметалідний сплав

Реферат: UA 107101 U UA 107101 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до металургії, зокрема до порошкових сплавів на основі інтерметаліду β-NiAl, і може бути використана для виготовлення деталей гарячого тракту газотурбінних двигунів. Відомий інтерметалідний сплав [патент РФ № 2065325, B01J 23/10, 1996], що містить (мас. %): алюміній - 52-75; нікель - 25-48. Процес ведуть з наступним формуванням шихти, що утворилася, її термічною обробкою локальним запалюванням в інертному середовищі. Недоліком відомого сплаву є низька пластичність, а саме здатність до витягування під час холодної деформації та низька тривала міцність (σ100) - при температурі 800 °C у β-NiAl сплаву дорівнює всього 30 МПа. Найближчим аналогом до корисної моделі є інтерметалідний сплав [патент РФ № 2368684, С22С 1/05, С22С 19/03, 2009], що містить (мас. %): алюміній - 24-30; кобальт - 8-18; ніобій - 3-5; нікель - решта, і включає додатково оксид ітрію в кількості 2-2,5 об. %. Процес ведуть з наступним формуванням шихти та її екструзії з коефіцієнтом витяжки 15 при температурі 10001200 °C. Отриману заготовку піддають термічній обробці в вакуумній пічці при температурі 14501550 протягом 1 години. Отриманий сплав має підвищену жароміцність при 1100 °C і стійкість до окислення в порівнянні з нелегованим β-NiAl сплавом. Однак при більш високих робочих температурах стійкість до окислення, тривала і короткочасна міцність сплаву значно знижуються. В основу корисної моделі поставлено задача розробки сплаву, в якому за рахунок введення хрому забезпечується підвищення характеристик: жаростійкості та жароміцності сплаву при температурі, що перевищує робочі температури нікелевих суперсплавів (вище 1100 °C) з збереженням показників пластичності сплаву при низьких температурах. Для вирішення поставленої задачі сплав, що містить нікель, алюміній, кобальт і ніобій згідно з корисною моделлю він, додатково містить хром, при наступному співвідношенні компонентів (мас. %): нікель - 58-62; кобальт - 8-10; ніобій - 1-3; хром - 3-5; алюміній - решта. Приведене співвідношення легувальних елементів дозволяє отримати в сплаві, що заявляється, після деформації однорідну дрібнозернисту структуру з більш високими механічними характеристиками при високих температурах. Вибране співвідношення компонентів визначається наступними факторами. При концентрації нікелю у сплаві, що заявляється, весь нікель входить до складу фази βNiAl, відповідно до реакції Ni+Al=NiAl і перебуває в зоні гомогенності фази β-NiAl. Отже мінімальна концентрація нікелю повинна становити не менше 58 % по масі. Зменшення концентрації нікелю менше 58 % приводить до утворення фази δ-Ni2Аl2. Низька температура плавлення і висока крихкість фази δ-Ni2Аl2 ускладнюють використання цієї фази в сплаві. Верхня границя вмісту нікелю - 62 % обумовлена зоною гомогенності β-NiAl фази. Кобальт в системі Ni-Al є аналогом нікелю, кобальт заміщає нікель в обох підрешітках впорядкованої B2-решітки, знижує прагнення надлишкових атомів нікелю до впорядкування в підрешітки алюмінію і помітно розширює область гомогенності β-фази в потрійній системі Ni-CoAl. Введення кобальту приводить до появи в сплаві гетерогенної структури з пластичною фазою γ-Ni3Al, яка утворює прошарок по границям β-зерен. Внаслідок цього підвищується низькотемпературна пластичність сплаву (δ) і збільшується опір поширення тріщини (K1C). Вміст кобальту менш ніж 8 % не забезпечує ефективного подрібнення структурних складових β-фази, що негативно впливає на пластичність сплаву. При вмісті більш ніж 10 % кобальту спостерігається пересичення розплаву цим компонентом і зростанням долі γ-фази, що призводить до зменшення міцності і твердості сплаву, а також збільшення його щільності. Ніобій найсильніше з усіх лігатур подрібнює зерно і зменшує схильність до перегрівання. Він різко збільшує межу міцності та текучості без зменшення пластичності сталі. Верхня границя вмісту ніобію - 3 % обумовлена необхідністю забезпечення вимогам рівня пластичності сплаву, а нижня - 1 % - забезпечення вимогам рівня міцності. Хром, який додатково введено в склад сплаву, бере участь спільно з алюмінієм і кобальтом у формуванні щільної багатошарової оксидної плівки, що містить тугоплавкі шпінелі типу (Ni, Co)Al2O4 і (Ni, Co)Cr2O4 з проміжним шаром (Аl, Сr)2О3, відрізняється малою швидкістю росту, що призводить до ущільнення оксидної плівки, поліпшення її адгезії і зниження проникнення кисню в основу металу. Верхня границя вмісту хрому обмежена його розчинністю в β-фазі (не більше 5 % по мас), а нижня - забезпеченням вимогам жароміцності і жаростійкості сплаву. Інтерметалідний сплав був випробуваний у лабораторних умовах. Як вихідні компоненти використовували металеві порошки нікелю, кобальту, ніобію, хрому і алюмінію дисперсністю 100-250 мкм. Перед змішуванням порошки просушували при температурі 75-120 °C протягом 3 годин. Змішування порошків проводили в сталевих кульових млинах протягом 2 годин. Співвідношення компонентів вибиралося відповідно до заявленого складу інтерметалідного 1 UA 107101 U 5 10 15 сплаву. Підготовлену таким чином змішану реакційну суміш зважували на електронних вагах і засипали в реактор. Для компактування початкових заготовок використовували гідравлічний прес, що розвиває зусилля до 1,25 МН. Процес пресування складався з двох стадій. Перша стадія - початкова, де з суміші вихідних порошків в окремій прес-формі виготовляли шихтовий брикет. З метою більш рівномірного розподілу тиску пресування за об'ємом заготівлі проводили витримку під тиском до 20 с Щільність шихтової заготовки склала 60-80 %. При проведенні другої стадії брикет поміщали в реакційну прес-форму (матрицю гарячого пресування). Реакцію синтезу продукту проводили в режимі теплового самозаймання. У підігрітій заготівлі ініціювалася реакція синтезу, а по закінченню горіння проводилося додаткове пресування продукту синтезу (до щільності 0,99 від теоретичної і вище). По закінченню пресування проводили ізотермічну витримку при температурі 1100 °C протягом 1,5-2 годин для регулювання співвідношенням структурних складових інтерметалідного сплаву. Випробувано склади інтерметалідного сплаву, що заявляється, представлені в таблиці 1, містять компоненти в кількості, відповідно нижній границі відповідає сплав № 2; верхній границі відповідає сплав № 4; оптимальному складу відповідає сплав № 3; нижче за нижню границю сплав № 1; вище за верхню границю - сплав № 5. Таблиця 1 Хімічний склад інтерметалідного сплаву № 1 2 3 4 5 20 Сплав Запропонований Ni 58 58 58 62 62 Вміст легувальних елементів, мас. % Co Nb Cr 8 1 1 решта 8 1 3 решта 8 3 5 решта 10 3 5 решта 10 3 7 решта Αl Механічні властивості сплаву визначали за ГОСТ 1497-84. Зразки отриманого сплаву випробовували на жароміцність при температурі 1100 °C. Випробування на жаростійкість проводилися у окислювальній атмосфері при температурі 1300 °C протягом 100 годин. Результати випробувань приведені у таблиці 2. Таблиця 2 Результати порівняльних випробувань Механічні властивості Границя міцності σв при Жаростійкість при температурі 2 температурі 1100 °C, МПа 1300 °C ΔG100, г/м Прототип 185-190 35-38 1 180-190 33-35 2 210-220 29-32 3 Запропонований 220-240 25-28 4 230-250 25-28 5 230-250 25-28 № 25 Сплав δ, % 16-17 14-15 15-16 16-17 15-16 14-15 Результати випробувань показали, що раціональним легуванням хромом вдається підвищити на 20-27 % жароміцність та жаростійкість сплаву фактично без погіршення в'язкопластичних характеристик. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 Жароміцний інтерметалідний сплав, що містить нікель, кобальт, ніобій, алюміній, який відрізняється тим, що він додатково містить хром при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: 2 UA 107101 U нікель кобальт ніобій хром алюміній 58-62 8-10 1-3 3-5 решта. Комп’ютерна верстка О. Рябко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3