RU2088686C1

RU2088686C1 - INTERMETALLIDE-BASED ALLOY WITH Ni3Al COMPOSITION

Info

Publication number: RU2088686C1
Application number: RU95118306A
Authority: RU
Inventors: В.П. Бунтушкин; В.Е. Ефимов; Е.Н. Каблов; Ю.И. Каплин; А.Т. Кольцов; В.М. Кудлаев; Е.В. Никонов; Е.И. Разуваев; М.П. Юшкин; Ю.В. Ратов
Original assignee: Акционерное общество открытого типа "Ступинский металлургический комбинат"
Priority date: 1995-10-25
Filing date: 1995-10-25
Publication date: 1997-08-27

Abstract

FIELD: nonferrous metallurgy. SUBSTANCE: alloy is composed, wt.-%: aluminium, 8.0-9.0; chromium, 5.0-6.8; tungsten, 2.7-4.0; molybdenum, 3.0-4.3; titanium, 1.3-2.2; carbon, 0.13-0.18; tin, 0.03-0.08; nickel, the balance. Alloy can be used for manufacturing dies for fabricating parts of refractory nickel-based alloys using isothermal deformation technique, for instance, turbine disks of gas engines. EFFECT: improved quality of alloy. 2 tbl

Description

Изобретение относится к металлургии сплавов на основе интерметаллида Ni₃Al и может быть использовано для изготовления штампов, применяемых для получения деталей из жаропрочных сплавов на никелевой основе методом изотермической деформации, например, дисков турбин газотурбинных двигателей.The invention relates to the metallurgy of alloys based on intermetallic Ni ₃ Al and can be used for the manufacture of dies used to obtain parts from heat-resistant nickel-based alloys by isothermal deformation, for example, turbine disks of gas turbine engines.

Известен сплав на основе интерметаллида Ni₃Al, содержащий, мас. алюминий 10,0-10,2; железо 13,9-16,6; гафний 0,9; бор 0,015-0,025; церий 0,005; никель остальное (заявка Великобритании N 2194549, кл. С 22 С 19/03, опублик. 1988).Known alloy based on intermetallic Ni ₃ Al containing, by weight. aluminum 10.0-10.2; iron 13.9-16.6; hafnium 0.9; boron 0.015-0.025; cerium 0.005; Nickel the rest (application of Great Britain N 2194549, CL 22 C 19/03, published. 1988).

Указанный сплав при температурах 1000 и 1200^oC имеет прочность, равную соответственно 197-234 и 152-193 мПа. Однако использование данного сплава для изготовления штампов для получения деталей из жаропрочных сплавов на никелевой основе методом изотермической деформации нежелательно из-за недостаточной прочности при указанных температурах.The specified alloy at temperatures of 1000 and 1200 ^o C has a strength equal to respectively 197-234 and 152-193 MPa. However, the use of this alloy for the manufacture of dies to obtain parts from heat-resistant nickel-based alloys by isothermal deformation is undesirable due to insufficient strength at these temperatures.

Наиболее близким к предлагаемому сплаву по своей технической сущности и достигаемому результату является деформируемый сплав на основе интерметаллида состава Ni₃Al, содержащий мас. кобальт 4,0-5,0; железо 4,0-6,0; молибден 0,5-1,5; гафний 0,5-1,0; бор 0,02-0,04; углерод 0,03-0,06; алюминий 8,0-9,5; никель остальное (патент РФ N 2034085, кл. С 22 С 19/03, опублик. 1995).Closest to the proposed alloy in its technical essence and the achieved result is a deformable alloy based on an intermetallic compound of Ni ₃ Al containing wt. cobalt 4.0-5.0; iron 4.0-6.0; molybdenum 0.5-1.5; hafnium 0.5-1.0; boron 0.02-0.04; carbon 0.03-0.06; aluminum 8.0-9.5; nickel the rest (RF patent N 2034085, class C 22 C 19/03, published. 1995).

Указанный сплав обладает достаточной жаростойкостью при повышенной температуре, но недостаточной прочностью σ $\binom{1200}{в}$ 34-45 мПа, δ¹²⁰⁰40-60% чтобы использовать его при изготовлении штампов, применяемых при изотермической штамповке.The specified alloy has sufficient heat resistance at elevated temperature, but insufficient strength σ $\binom{1200}{in}$ 34-45 MPa, δ ¹²⁰⁰ 40-60% to use it in the manufacture of dies used in isothermal stamping.

Технический результат изобретения повышение прочностных свойств сплава при сохранении жаростойкости при температурах до 1200^oC.The technical result of the invention is to increase the strength properties of the alloy while maintaining heat resistance at temperatures up to 1200 ^o C.

Технический результат достигается тем, что сплав на основе интерметаллида состава Ni₃Al, содержащий молибден, углерод, алюминий, никель, дополнительно содержит хром, вольфрам, титан, олово при следующем соотношении компонентов, мас.The technical result is achieved by the fact that the alloy based on an intermetallic compound of Ni ₃ Al containing molybdenum, carbon, aluminum, nickel, additionally contains chromium, tungsten, titanium, tin in the following ratio of components, wt.

Алюминий 8,0-9,0
Хром 5,0-6,8
Вольфрам 2,7-4,0
Молибден 3,0-4,3
Титан 1,3-2,2
Углерод 0,13-0,18
Олово 0,03-0,08
Никель До 100
Существенными признаками, отличающими заявляемое техническое решение от прототипа, являются:
количественное содержание алюминия, молибдена, углерода;
наличие в композиции хрома, вольфрама, титана, олова.Aluminum 8.0-9.0
Chrome 5.0-6.8
Tungsten 2.7-4.0
Molybdenum 3.0-4.3
Titanium 1.3-2.2
Carbon 0.13-0.18
Tin 0.03-0.08
Nickel Up to 100
The essential features that distinguish the claimed technical solution from the prototype are:
quantitative content of aluminum, molybdenum, carbon;
the presence in the composition of chromium, tungsten, titanium, tin.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует критерию охраноспособности "новизна". Therefore, the claimed technical solution meets the eligibility criterion of "novelty."

Предлагаемый сплав представляет собой интерметаллидное соединение Ni₃Al, легированное хромом, вольфрамом, молибденом, титаном, углеродом, оловом, т. е. твердый раствор на основе данного соединения.The proposed alloy is an intermetallic compound Ni ₃ Al doped with chromium, tungsten, molybdenum, titanium, carbon, tin, i.e., a solid solution based on this compound.

При содержании алюминия ниже 8 мас. наблюдается снижение стойкости против окисления при температуре свыше 1000^oC.When the aluminum content is below 8 wt. there is a decrease in resistance to oxidation at temperatures above 1000 ^o C.

При содержании алюминия выше 9 мас. происходит образование в структуре фазы типа Ni₃Al, что приводит к снижению прочности при высоких температурах.When the aluminum content is above 9 wt. a phase of the type Ni ₃ Al is formed in the structure, which leads to a decrease in strength at high temperatures.

Введение хрома, вольфрама, молибдена, титана приводит к высокой прочности в интервале температур 1000-1200^oC. Это достигается за счет твердорастворного упрочнения основы из Ni₃Al в результате растворения вышеназванных элементов и частичного замещения ими алюминия в структурной решетке Ni₃Al. Кроме того, стабилизация структуры и свойств при высоких температурах обеспечивается за счет выделения в основе сплава тонкодисперсных интерметаллидов типа Ni₃(Al, W, Mo, Cr, Ti).The introduction of chromium, tungsten, molybdenum, titanium leads to high strength in the temperature range 1000-1200 ^o C. This is achieved due to solid solution hardening of the base of Ni ₃ Al as a result of dissolution of the above elements and their partial replacement of aluminum in the Ni ₃ Al lattice. In addition, stabilization of the structure and properties at high temperatures is ensured by the separation of finely dispersed intermetallic compounds of the Ni ₃ type (Al, W, Mo, Cr, Ti) in the base of the alloy.

При содержании хрома, вольфрама, молибдена, титана ниже заявляемого минимального значения не достигается достаточной прочности при высоких температурах, так как все эти добавки имеют температуру плавления выше температуры плавления интерметаллида Ni₃Al (1385^oC) основы сплава, поэтому при введении в сплав повышают его жаропрочность.When the content of chromium, tungsten, molybdenum, titanium below the declared minimum value is not achieved sufficient strength at high temperatures, since all these additives have a melting point above the melting point of the intermetallic Ni ₃ Al (1385 ^o C) alloy base, therefore, when introduced into the alloy increase its heat resistance.

При содержании хрома, вольфрама, молибдена, титана выше максимального значения снижается технологическая пластичность сплава, во-первых, и, во-вторых, увеличение содержания этих дорогостоящих и дефицитных добавок повышает стоимость сплава и затрудняет его производство. When the content of chromium, tungsten, molybdenum, titanium is higher than the maximum value, the technological plasticity of the alloy decreases, firstly, and, secondly, an increase in the content of these expensive and scarce additives increases the cost of the alloy and makes it difficult to produce.

Введение олова в интервале 0,03-0,08 мас. обусловлено необходимостью стабилизации частиц избыточной фазы Ni₃(Al, W, Mo, Cr, Ti) структуры и свойств при температуре свыше 1050^oC.The introduction of tin in the range of 0.03-0.08 wt. due to the need to stabilize the particles of the excess phase Ni ₃ (Al, W, Mo, Cr, Ti) structure and properties at temperatures above 1050 ^o C.

При содержании олова менее 0,03 мас. частицы указанной фазы в процессе нагрева при температурах свыше 1000^oC уменьшаются в размерах и количестве, что снижает стабильность структуры и свойств сплава.When the tin content is less than 0.03 wt. particles of this phase during heating at temperatures above 1000 ^o C are reduced in size and quantity, which reduces the stability of the structure and properties of the alloy.

При содержании олова 0,08 мас. снижается жаропрочность сплава вследствие низкой температуры плавления олова (232^oC).When the tin content of 0.08 wt. decreases the heat resistance of the alloy due to the low melting point of tin (232 ^o C).

Введение углерода в интервале 0,13-0,18 мас. обусловлено также необходимостью образования частиц избыточных фаз, стабилизирующих структуру и свойства при температурах свыше 1050^oC.The introduction of carbon in the range of 0.13-0.18 wt. also due to the need for the formation of particles of excess phases, stabilizing the structure and properties at temperatures above 1050 ^o C.

При содержании углерода более 0,18 мас. ухудшается технологическая пластичность сплава. When the carbon content is more than 0.18 wt. the technological ductility of the alloy is deteriorating.

При содержании углерода менее 0,13 мас. не обеспечиваются требуемый уровень свойств и стабильность структуры сплава. When the carbon content is less than 0.13 wt. the required level of properties and stability of the alloy structure are not provided.

Таким образом, можно сделать вывод, что благодаря действию совокупности существенных признаков, отличающих заявляемое техническое решение от прототипа, достигается технический результат изобретения. Thus, we can conclude that due to the action of the set of essential features that distinguish the claimed technical solution from the prototype, the technical result of the invention is achieved.

Известны сплавы на основе интерметаллида состава Ni₃Al (например, заявки Японии N 63 23258, кл. С22 С 19/03, N 63 23257, кл. С22 С 19/03, патент США N 4012241, кл. С22 С 19/03 (НКИ 148 32), патент США N 4055447, кл. С22 С 19/03 (НКИ 148 32), заявка ЕПР N 0217299, кл. С22 С 19/03 и др. Однако дополнительный анализ сплавов аналогичного назначения не выявил сплава, сходного по составу ингредиентов и количественному составу с предлагаемым составом. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует критерию охраноспособности "изобретательский уровень".Alloys based on an intermetallic compound of Ni ₃ Al composition are known (for example, Japanese application N 63 23258, class C22 C 19/03, N 63 23257, class C22 C 19/03, US patent N 4012241, class C22 C 19/03 (NKI 148 32), US patent N 4055447, CL C22 C 19/03 (NKI 148 32), application EPR N 0217299, CL C22 C 19/03, etc. However, additional analysis of alloys for similar purposes did not reveal an alloy similar according to the composition of the ingredients and the quantitative composition with the proposed composition. Therefore, the claimed technical solution meets the eligibility criterion of "inventive step".

Сплавы с различным количественным содержанием компонентов выплавляли в вакуумной индукционной печи, используя чистые шихтовые материалы. Никель, хром, молибден, вольфрам расплавляли в тигле, затем вводили титан, алюминий, углерод, олово. Расплав перемешивали электромагнитным полем и разливали в слитки диаметром 400 мм, после чего слитки подвергали термообработке. Alloys with different quantitative content of components were smelted in a vacuum induction furnace using pure charge materials. Nickel, chromium, molybdenum, tungsten were melted in a crucible, then titanium, aluminum, carbon, and tin were introduced. The melt was mixed with an electromagnetic field and poured into ingots with a diameter of 400 mm, after which the ingots were subjected to heat treatment.

Химический состав сплавов приведен в табл. 1. Для сравнения выплавляли сплав по патенту РФ N 2034085, средний состав которого приведен также в табл. 1. The chemical composition of the alloys is given in table. 1. For comparison, the alloy was smelted according to the patent of the Russian Federation N 2034085, the average composition of which is also given in table. one.

Из слитков вытачивали заготовки под штампы диаметром 350 мм и высотой 250-300 мм. С целью устранения поверхностных напряжений от мехообработки заготовки подвергали отжигу. Готовые штампы контролировали по внешнему виду и цветной дефектоскопии на отсутствие микротрещин. Образцы для исследования свойств вырезали вдоль кристаллизации из края и середины заготовки. Механические свойства определяли по стандартным методикам на воздухе. Жаростойкость определяли по привесу. Результаты испытаний приведены в табл. 2. Billets were machined from ingots for dies with a diameter of 350 mm and a height of 250-300 mm. In order to eliminate surface stresses from machining, the billets were annealed. Finished dies were controlled by appearance and color inspection for the absence of microcracks. Samples for the study of properties were cut along crystallization from the edge and middle of the workpiece. The mechanical properties were determined by standard methods in air. Heat resistance was determined by weight gain. The test results are given in table. 2.

Сравнительный анализ свойств предлагаемого и известного сплавов, как видно из табл. 2, показывает, что свойства сплава по примерам осуществления 1-3 значительно выше свойств известного сплава при высокой температуре. Так, предел прочности при растяжении при температуре 1200^oC у предлагаемого сплава 355 МПа против 34,3 МПа у известного сплава, предлагаемый сплав более жаростоек при температуре 1200^oC.A comparative analysis of the properties of the proposed and known alloys, as can be seen from the table. 2 shows that the properties of the alloy according to embodiments 1-3 are significantly higher than the properties of the known alloy at high temperature. So, the tensile strength at a temperature of 1200 ^o C for the proposed alloy 355 MPa versus 34.3 MPa for the known alloy, the proposed alloy is more heat-resistant at a temperature of 1200 ^o C.

Технико-экономические преимущества предлагаемого сплава в сравнении с прототипом обусловлены его более высокой прочностью и жаростойкостью при температурах свыше 1000^oC. Это позволяет использовать указанный сплав для изготовления штампов, предназначенных для изотермической штамповки деталей из жаропрочных сплавов.Technical and economic advantages of the proposed alloy in comparison with the prototype are due to its higher strength and heat resistance at temperatures above 1000 ^o C. This allows the use of this alloy for the manufacture of dies designed for isothermal stamping of parts from heat-resistant alloys.

Claims

An alloy based on an intermetallic compound of Ni ₃ Al composition containing molybdenum, carbon, aluminum, nickel, characterized in that it additionally contains chromium, tungsten, titanium, tin in the following ratio of components, wt.

Aluminum 8 9
Chrome 5.0 6.8
Tungsten 2.7 4.0
Molybdenum 3.0 4.3
Titanium 1.3 2.2
Carbon 0.13 0.18
Tin 0.03 0.08
Nickel Else6