RU2595084C1 - Method of producing heat-resistant alloy based on niobium matrix with intermetallic hardening - Google Patents
Method of producing heat-resistant alloy based on niobium matrix with intermetallic hardening Download PDFInfo
- Publication number
- RU2595084C1 RU2595084C1 RU2015108377/02A RU2015108377A RU2595084C1 RU 2595084 C1 RU2595084 C1 RU 2595084C1 RU 2015108377/02 A RU2015108377/02 A RU 2015108377/02A RU 2015108377 A RU2015108377 A RU 2015108377A RU 2595084 C1 RU2595084 C1 RU 2595084C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- niobium
- consumable electrode
- casting
- melt
- hafnium
- Prior art date
Links
- 239000010955 niobium Substances 0.000 title claims abstract description 55
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 47
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 39
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 35
- 239000000956 alloy Substances 0.000 title claims abstract description 35
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 32
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 title description 10
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims abstract description 23
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims abstract description 23
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 21
- 238000005266 casting Methods 0.000 claims abstract description 18
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 15
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 238000005275 alloying Methods 0.000 claims abstract description 13
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- 230000006698 induction Effects 0.000 claims abstract description 13
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 13
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims abstract description 11
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N hafnium atom Chemical compound [Hf] VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N yttrium atom Chemical compound [Y] VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 9
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 claims abstract description 8
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 claims abstract description 7
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims abstract description 6
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims abstract description 5
- 229910052706 scandium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- SIXSYDAISGFNSX-UHFFFAOYSA-N scandium atom Chemical compound [Sc] SIXSYDAISGFNSX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 239000011135 tin Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000000155 melt Substances 0.000 claims description 13
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 abstract description 12
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 8
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 abstract 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 12
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 5
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 4
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 4
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 3
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 3
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 3
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 3
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 description 2
- 239000010953 base metal Substances 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 description 2
- SIWVEOZUMHYXCS-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoyttriooxy)yttrium Chemical compound O=[Y]O[Y]=O SIWVEOZUMHYXCS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 239000011265 semifinished product Substances 0.000 description 2
- 229910021332 silicide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 2
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 2
- 238000012916 structural analysis Methods 0.000 description 2
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 2
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 2
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910017305 Mo—Si Inorganic materials 0.000 description 1
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000676 Si alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 239000012300 argon atmosphere Substances 0.000 description 1
- 229910002056 binary alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 229910021419 crystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 description 1
- 239000003779 heat-resistant material Substances 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000008240 homogeneous mixture Substances 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 1
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 description 1
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- LIZIAPBBPRPPLV-UHFFFAOYSA-N niobium silicon Chemical compound [Si].[Nb] LIZIAPBBPRPPLV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical class [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002028 premature Effects 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002910 rare earth metals Chemical class 0.000 description 1
- 229910052702 rhenium Inorganic materials 0.000 description 1
- WUAPFZMCVAUBPE-UHFFFAOYSA-N rhenium atom Chemical compound [Re] WUAPFZMCVAUBPE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 1
- FVBUAEGBCNSCDD-UHFFFAOYSA-N silicide(4-) Chemical compound [Si-4] FVBUAEGBCNSCDD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011863 silicon-based powder Substances 0.000 description 1
- 230000000930 thermomechanical effect Effects 0.000 description 1
- 150000003568 thioethers Chemical class 0.000 description 1
- 238000009966 trimming Methods 0.000 description 1
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/25—Process efficiency
Landscapes
- Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству жаропрочных сплавов на основе ниобия, которые могут быть использованы для изготовления рабочих лопаток ГТД (газотурбинного двигателя).The invention relates to the field of metallurgy, namely the production of heat-resistant alloys based on niobium, which can be used for the manufacture of rotor blades of a gas turbine engine (gas turbine engine).
Современные никелевые жаропрочные сплавы дошли до верхнего предела легирования, поэтому дальнейшее повышение содержания легирующих металлов понижает свойства сплава. Производство лопаток из ВКМ (высокотемпературных композиционных материалов) на основе ниобия позволит поднять рабочие температуры до 1350°C. Это на 200°C превосходит температурную способность современных лопаток из монокристаллических никелевых жаропрочных сплавов, что безусловно является революционным скачком. Преимущество ВКМ на основе ниобия по сравнению с никелевыми жаропрочными сплавами заключается в том, что они не содержат тяжелых, дефицитных и дорогостоящих легирующих элементов, таких как рений и рутений, поэтому обладают значительно более низкой плотностью и невысокой стоимостью. Учитывая высокие температуры плавления и высокую химическую активность расплавов с керамическими материалами, технология получения слитков из ВКМ на основе ниобия сложнее используемой в современном промышленном производстве деталей горячего тракта ГТД.Modern heat-resistant nickel alloys have reached the upper limit of alloying; therefore, a further increase in the content of alloying metals reduces the properties of the alloy. The production of blades from VKM (high-temperature composite materials) based on niobium will increase the operating temperature to 1350 ° C. This is 200 ° C higher than the temperature ability of modern vanes made of single-crystal nickel heat-resistant alloys, which is certainly a revolutionary leap. The advantage of niobium-based VKM compared to heat-resistant nickel alloys is that they do not contain heavy, scarce and expensive alloying elements such as rhenium and ruthenium, and therefore have a significantly lower density and low cost. Given the high melting points and the high chemical activity of melts with ceramic materials, the technology for producing ingots from VKM based on niobium is more complicated than the gas turbine engine parts used in modern industrial production.
Из уровня техники известен способ получения жаропрочного материала на основе ниобия, выполненного в виде чередующихся слоев твердого раствора алюминия или кремния и слоев интерметаллида Nb3Al или Nb3Si с толщиной менее 50 мкм (патент РФ 2469119 С1, МПК С22С 27/02, В32В 15/01; опубл. 10.12.2012). Изготовление включает сборку пакета с чередованием фольги ниобия и фольги алюминия, фольга ниобия имеет одностороннее покрытие Si-порошка. Далее проводится термообработка под давлением 5-15 МПа в вакууме 10-2-10-4 мм рт. ст. для образования интерметаллидов Nb3Al и Nb3Si. Недостатком известного способа является его сложность и трудоемкость: операции сборки многослойного пакета, получения ниобиевой фольги, нанесения на нее кремниевого покрытия и термообработка вызывают дополнительные технологические трудности при производстве материалов этим способом. Кроме того, изготовленный по данному способу полуфабрикат имеет анизотропию свойств за счет послойного строения.The prior art method for producing heat-resistant material based on niobium, made in the form of alternating layers of a solid solution of aluminum or silicon and layers of intermetallic Nb 3 Al or Nb 3 Si with a thickness of less than 50 microns (RF patent 2469119 C1, IPC C22C 27/02, B32B 15/01; publ. 10.12.2012). The manufacture includes assembly of a bag with alternating niobium foil and aluminum foil, niobium foil has a one-sided coating of Si powder. Next, heat treatment is carried out under a pressure of 5-15 MPa in a vacuum of 10 -2 -10 -4 mm RT. Art. for the formation of intermetallic compounds Nb 3 Al and Nb 3 Si. The disadvantage of this method is its complexity and complexity: the operation of assembling a multilayer package, obtaining a niobium foil, applying a silicon coating on it and heat treatment cause additional technological difficulties in the production of materials by this method. In addition, the semi-finished product made by this method has anisotropy of properties due to the layered structure.
Известен способ изготовления сплава на основе ниобия, приготовленного из чистых компонентов в инертной атмосфере аргона или гелия в дуговой печи с не расходуемым вольфрамовым электродом (патент US 3046109, МПК С22С 27/00, С22С 27/02, опубл. 24.07.1962). Компоненты сплава могут быть добавлены одновременно или последовательно. После затвердевания сплава, слиток дробится на мелкие куски и повторно переплавляется в дуговой печи. После этого слиток подвергают обработке давлением. Недостатком известного способа является то, что двойной переплав в дуговой печи не может обеспечить равномерность распределения легирующих элементов по всему объему слитка, которая может быть достигнута за счет индукционного перемешивания при плавке в вакуумной индукционной печи.A known method of manufacturing an alloy based on niobium prepared from pure components in an inert atmosphere of argon or helium in an arc furnace with a non-consumable tungsten electrode (patent US 3046109, IPC C22C 27/00, C22C 27/02, publ. 07.24.1962). Alloy components can be added simultaneously or sequentially. After solidification of the alloy, the ingot is crushed into small pieces and re-melted in an arc furnace. After that, the ingot is subjected to pressure treatment. The disadvantage of this method is that double remelting in an arc furnace cannot ensure uniform distribution of alloying elements throughout the volume of the ingot, which can be achieved by induction mixing during melting in a vacuum induction furnace.
Известен способ дуговой плавки, применяемый для получения ВКМ на основе ниобия (патент WO 1989010982, МПК С22С 1/02, С22С 1/05, С22С 1/05; опубл. 16.11.1989). Способ включает формирование интерметаллидного композиционного материала из порошков легирующих элементов в чистом виде, включающего относительно высокую концентрацию частиц второй фазы, рассеянных в металлической матрице. Этот интерметаллидный материал смешивается с дополнительным количеством металла-основы и расплавляется в дуговой печи. Техническим результатом является итоговая металлическая матрица, которая может состоять из металла, металлического сплава, или интерметаллида, в которой располагаются частицы второй фазы, которые могут включать керамические материалы, такие как бориды, карбиды, нитриды, силициды, оксиды или сульфиды. Недостатком указанного способа является необходимость получения порошков компонентов сплава и невозможность применения исходных компонентов в том виде, в котором они широко поставляются (например, кремний в виде кусков, ниобий в виде прутков и листов). Кроме того, компоненты в порошковом виде обладают высокой площадью поверхности, за счет чего могут иметь повышенные содержания примесей, в том числе кислорода.A known method of arc melting, used to obtain VKM based on niobium (patent WO 1989010982, IPC C22C 1/02, C22C 1/05, C22C 1/05; publ. 16.11.1989). The method includes the formation of an intermetallic composite material from powders of alloying elements in a pure form, including a relatively high concentration of particles of the second phase dispersed in the metal matrix. This intermetallic material is mixed with an additional amount of base metal and melted in an arc furnace. The technical result is a final metal matrix, which may consist of a metal, metal alloy, or intermetallic, in which particles of the second phase are located, which may include ceramic materials, such as borides, carbides, nitrides, silicides, oxides or sulfides. The disadvantage of this method is the need to obtain powders of the alloy components and the inability to use the starting components in the form in which they are widely supplied (for example, silicon in the form of pieces, niobium in the form of rods and sheets). In addition, the components in powder form have a high surface area, due to which they can have high levels of impurities, including oxygen.
Известен композиционный материал Nb-Mo-Si, содержащий 30-87 ат. % Nb, 3-40 ат. % Mo и 10-30 ат. % Si и способ его приготовления (CN 101792879, опубл. 04.08.2010), включающий 3 этапа: первый - прессование порошков высокой чистоты ниобия, молибдена, кремния и бора, второй - плавка в вакуумной дуговой печи с не расходуемым электродом в атмосфере аргона, третий - обрезка полученного слитка и последующая термообработка. Недостатком известного способа также является необходимость получения порошков компонентов сплава и невозможность применения исходных компонентов в том виде, в котором они широко поставляются (кремний в виде кусков, ниобий в виде прутков и листов, молибден в виде штабиков, прутков и проволоки). Кроме того, компоненты в порошковом виде обладают высокой площадью поверхности, за счет чего могут иметь повышенные содержания примесей, в том числе кислорода.Known composite material Nb-Mo-Si, containing 30-87 at. % Nb, 3-40 at. % Mo and 10-30 at. % Si and the method of its preparation (CN 101792879, published 04.08.2010), which includes 3 stages: the first is the pressing of powders of high purity niobium, molybdenum, silicon and boron, the second is melting in a vacuum arc furnace with a non-consumable electrode in an argon atmosphere, the third is the trimming of the obtained ingot and the subsequent heat treatment. A disadvantage of the known method is the need to obtain powders of the alloy components and the inability to use the starting components in the form in which they are widely supplied (silicon in the form of pieces, niobium in the form of rods and sheets, molybdenum in the form of racks, rods and wire). In addition, the components in powder form have a high surface area, due to which they can have high levels of impurities, including oxygen.
Известен способ изготовления сплавов составов: Nb-10Si, Nb-20Si, Nb-30Si и Nb-37.5Si прямым электрохимическим восстановлением смеси порошков Nb2O5 и SiO2 в литом расплавленном электролите CaCl2 при 900°C (Статья Fanke Meng, Huimin Lu Electrochemical Fabrication of Niobium Silicon Alloys from Oxide Powder Mixtures // ISRN Metallurgy, 2013, p. 5). Недостатком способа является то, что процесс электрохимического восстановления проходит достаточно медленно, для производства массивных слитков материала требуется значительное количество времени. Кроме того, данным способом возможно изготавливать только бинарные сплавы, для производства многокомпонентных сплавов он не подходит.A known method of manufacturing alloys of the compositions: Nb-10Si, Nb-20Si, Nb-30Si and Nb-37.5Si by direct electrochemical reduction of a mixture of powders Nb 2 O 5 and SiO 2 in molten molten electrolyte CaCl 2 at 900 ° C (Article Fanke Meng, Huimin Lu Electrochemical Fabrication of Niobium Silicon Alloys from Oxide Powder Mixtures // ISRN Metallurgy, 2013, p. 5). The disadvantage of this method is that the process of electrochemical reduction is quite slow, for the production of massive ingots of material requires a significant amount of time. In addition, using this method it is possible to produce only binary alloys; it is not suitable for the production of multicomponent alloys.
Известен способ изготовления ВКМ на основе ниобия, включающий: формирование смеси из порошков чистых компонентов - ниобия и кремния, прессование этой смеси для получения электрода, прикрепление полученного прессованного электрода к основе из ниобия, переплав электрода в условиях вакуумной дуговой плавки в слиток (патент US 7666243, МПК С22В 9/20, опубл. 23.02.2010). После вакуумной дуговой плавки (ВДП) проводят термомеханическую обработку и отжиг полученного слитка при 950-1150°С, что считается завершающей операцией. Техническим результатом является получение полностью рекристаллизованного, обработанного давлением ниобиевого полуфабриката с мелким однородным зерном.A known method of manufacturing VKM based on niobium, including: forming a mixture of powders of pure components — niobium and silicon, pressing this mixture to obtain an electrode, attaching the obtained pressed electrode to a niobium base, remelting the electrode under vacuum arc melting into an ingot (US 7666243 , IPC С22В 9/20, publ. 02.23.2010). After vacuum arc melting (VDP), thermomechanical processing and annealing of the obtained ingot at 950-1150 ° C are carried out, which is considered the final operation. The technical result is to obtain a fully recrystallized, pressure-treated niobium semi-finished product with a fine, uniform grain.
Наиболее близким аналогом предлагаемого способа является способ получения высокотемпературного сплава на основе ниобия, включающий изготовление расходуемого электрода, плавку расходуемого электрода в вакуумной дуговой печи и разливку расплава (патент РФ 2416656 С2, МПК С22С 1/02; опубл. 20.04.2011). Недостатками способа-прототипа (как и аналога US 7666243) являются:The closest analogue of the proposed method is a method for producing a high-temperature alloy based on niobium, including the manufacture of a consumable electrode, melting of a consumable electrode in a vacuum arc furnace and casting of the melt (RF patent 2416656 C2, IPC C22C 1/02; publ. 04.20.2011). The disadvantages of the prototype method (as well as the analogue of US 7666243) are:
- неприменимость данного способа к производству многокомпонентных сплавов, содержащих активные компоненты (такие как алюминий, цирконий, титан, РЗМ и др.);- the inapplicability of this method to the production of multicomponent alloys containing active components (such as aluminum, zirconium, titanium, rare-earth metals, etc.);
- необходимость получения порошков компонентов сплава и невозможность применения исходных компонентов в том виде, в котором они широко поставляются (например, кремний в виде кусков, ниобий в виде прутков и листов);- the need to obtain powders of alloy components and the inability to use the starting components in the form in which they are widely supplied (for example, silicon in the form of pieces, niobium in the form of rods and sheets);
- необходимость применения специального оборудования для получения однородной смеси порошков чистых компонентов и прессования полученной смеси в электрод;- the need to use special equipment to obtain a homogeneous mixture of powders of pure components and pressing the resulting mixture into an electrode;
- компоненты в порошковом виде обладают высокой площадью поверхности, за счет чего могут иметь повышенные содержания примесей, в том числе кислорода.- the components in powder form have a high surface area, due to which they can have high levels of impurities, including oxygen.
Техническим результатом заявленного способа является получение слитков и отливок с равноосной структурой и однородным химическим составом по всему объему слитка из сплавов на основе ниобиевой матрицы с интерметаллидным упрочнением.The technical result of the claimed method is to obtain ingots and castings with equiaxial structure and homogeneous chemical composition over the entire volume of the ingot from alloys based on a niobium matrix with intermetallic hardening.
Технический результат достигается путем получения высокотемпературного сплава на основе ниобия (ниобиевой матрицы с интерметаллидным упрочнением), включающий изготовление расходуемого электрода, плавку расходуемого электрода в вакуумной дуговой печи и разливку расплава, при этом готовят расходуемый электрод из шихтовых материалов в виде ниобия, кремния и по крайней мере одного из легирующих элементов, включающих титан, гафний, алюминий, хром, цирконий, молибден, вольфрам, олово и иттрий, плавку расходуемого электрода осуществляют с получением слитка, который затем подвергают переплаву в вакуумной индукционной печи при температуре 1800-2100°С в инертном керамическом тигле, выполненном по крайней мере из одного из оксидов иттрия, гафния, скандия или циркония, а разливку полученного расплава осуществляют в инертную форму. Разливку расплава также возможно осуществлять в инертную форму, предварительно нагретую до температуры 250-1500°С.The technical result is achieved by obtaining a high-temperature alloy based on niobium (a niobium matrix with intermetallic hardening), including the manufacture of a consumable electrode, melting of a consumable electrode in a vacuum arc furnace and casting of the melt, while preparing a consumable electrode from charge materials in the form of niobium, silicon and at least at least one of the alloying elements, including titanium, hafnium, aluminum, chromium, zirconium, molybdenum, tungsten, tin and yttrium, the consumable electrode is melted with by irradiating the ingot, which is then remelted in a vacuum induction furnace at a temperature of 1800-2100 ° C in an inert ceramic crucible made of at least one of the yttrium, hafnium, scandium, or zirconium oxides, and the melt is cast in an inert form. It is also possible to cast the melt into an inert form, preheated to a temperature of 250-1500 ° C.
Для изготовления расходуемого электрода применяют ниобий, кремний и по крайней мере один из легирующих элементов: титан, гафний, алюминий, хром, цирконий, молибден, вольфрам, олово, иттрий в виде листов, прутков, штабиков и проволоки. Материалом формы, в которую осуществляют последующую разливку расплава, является керамика, рабочий слой которой содержит по крайней мере один из оксидов иттрия, гафния, скандия, циркония (для предотвращения взаимодействия расплава с материалом формы) или графит. Время нахождения расплава в жидком состоянии при проведении вакуумной индукционной плавки не превышает 30 минут во избежание угара легирующих элементов.For the manufacture of a consumable electrode, niobium, silicon and at least one of the alloying elements are used: titanium, hafnium, aluminum, chromium, zirconium, molybdenum, tungsten, tin, yttrium in the form of sheets, rods, posts and wire. The material of the mold into which the subsequent melt is cast is ceramic, the working layer of which contains at least one of the oxides of yttrium, hafnium, scandium, zirconium (to prevent the interaction of the melt with the mold material) or graphite. The time spent by the melt in the liquid state during vacuum induction melting does not exceed 30 minutes in order to avoid the burning of alloying elements.
Необходимость проведения вакуумной дуговой плавки вызвана высокой температурой плавления металла-основы - ниобия и компонентов сплава (таких как вольфрам, молибден, гафний), которую невозможно достигнуть при вакуумной индукционной плавке.The need for vacuum arc melting is caused by the high melting point of the base metal — niobium and alloy components (such as tungsten, molybdenum, hafnium), which cannot be achieved with vacuum induction melting.
Во время вакуумной дуговой плавки происходит смешивание с другими, более легкоплавкими компонентами, входящими в состав сплава (таких как кремний, алюминий, иттрий, олово), и полученный слиток имеет более низкую температуру плавления (до 1700°С), достаточную для расплавления вакуумным индукционным способом.During vacuum arc melting, mixing with other, more fusible components that make up the alloy (such as silicon, aluminum, yttrium, tin) occurs, and the obtained ingot has a lower melting point (up to 1700 ° C), sufficient for melting by vacuum induction way.
Равномерное распределение легирующих элементов в слитке достигается за счет интенсивного индукционного перемешивания расплава во время вакуумной индукционной плавки.The uniform distribution of alloying elements in the ingot is achieved due to intensive induction mixing of the melt during vacuum induction melting.
В качестве основы электрода предпочтительно применять ниобиевый пруток, длина которого равна длине электрода, а диаметр достаточен для закрепления электрода посредством приваривания к электродержателю установки для вакуумной дуговой плавки.As the basis of the electrode, it is preferable to use a niobium rod, the length of which is equal to the length of the electrode, and the diameter is sufficient to fix the electrode by welding to the electrode holder of a vacuum arc melting plant.
Для получения равномерного электрода по всей длине, шихтовые материалы для сбора расходуемого электрода предпочтительно применять в виде листов, разрезанных на полосы, штабиков, проволоки и прутков различных диаметров в зависимости от мощности печи.To obtain a uniform electrode over the entire length, charge materials for collecting the consumable electrode are preferably used in the form of sheets cut into strips, posts, wires and rods of various diameters depending on the power of the furnace.
Сыпучие материалы (такие как кремний и хром) предпочтительно включать в электрод в связанном в лигатуру виде или завернутыми в фольгу из компонентов сплава и равномерно распределять по длине электрода.Bulk materials (such as silicon and chromium) are preferably included in the electrode in a ligature bound form or wrapped in a foil of alloy components and evenly distributed along the length of the electrode.
Шихтовые материалы для сбора электрода перед плавкой предпочтительно соединять ниобиевой проволокой диаметром 1-3 мм, либо сваркой в вакууме или инертной атмосфере.It is preferable to connect the charge materials for collecting the electrode before melting with a niobium wire with a diameter of 1-3 mm, or welding in a vacuum or inert atmosphere.
В качестве газа для создания инертной атмосферы при вакуумной индукционной плавке предпочтительно применяется аргон.Argon is preferably used as the gas to create an inert atmosphere in vacuum induction melting.
Перед разливкой осуществляют предварительный нагрев форм от 250 до 1500°С, в зависимости от материала и конфигурации формы для предотвращения преждевременного затвердевания расплава во время разливки и заполнения всего объема формы.Before casting, molds are preheated from 250 to 1500 ° C, depending on the material and mold configuration, to prevent premature solidification of the melt during casting and to fill the entire mold volume.
Установлено, что выплавка сплавов на основе ниобиевой матрицы с интерметаллидным упрочнением по данному способу обеспечивает получение слитков и отливок с равноосной структурой, низкой пористостью и стабильным химическим составом по всему объему слитка (отливки).It was established that the smelting of alloys based on a niobium matrix with intermetallic hardening by this method provides ingots and castings with equiaxial structure, low porosity and a stable chemical composition throughout the entire volume of the ingot (casting).
Структура сплава, полученного по данному способу, представляет собой эвтектические ячейки, которые включают в себя твердый раствор ниобия и упрочняющую интерметаллидную силицидную фазу. Обе фазы представляют собой сложные химические соединения на основе α-Nb и интерметаллида Nb5Si3 соответственно. Эффект интерметаллидного упрочнения в наибольшей степени проявляется при последующей направленной кристаллизации полученного сплава.The structure of the alloy obtained by this method is a eutectic cell, which includes a solid solution of niobium and a hardening intermetallic silicide phase. Both phases are complex chemical compounds based on α-Nb and Nb 5 Si 3 intermetallic compound, respectively. The effect of intermetallic hardening is most pronounced during the subsequent directed crystallization of the obtained alloy.
Примеры осуществления изобретенияExamples of carrying out the invention
Пример 1Example 1
По предлагаемому способу осуществляли выплавку высокожаропрочного сплава на основе ниобиевой матрицы с интерметаллидным упрочнением состава (% масс): Nb(осн.)-(5,5-6,5)Si-(7,5-8,5)Ti-(10,0-11,0)Hf-(2,0-3,0)Cr-(1,0-2,0)Al-(4,5-6,0)Zr-(10,5-11,5)Mo-(1,5-2,5)Y.According to the proposed method, smelting of a high-temperature alloy based on a niobium matrix with intermetallic hardening of the composition (% mass) was carried out: Nb (basic) - (5.5-6.5) Si- (7.5-8.5) Ti- (10 , 0-11.0) Hf- (2.0-3.0) Cr- (1.0-2.0) Al- (4.5-6.0) Zr- (10.5-11.5 ) Mo- (1.5-2.5) Y.
Для сбора расходуемого электрода применяли следующие материалы:The following materials were used to collect the consumable electrode:
- Ниобий в виде прутков диаметром 2,5 см и штабиков с сечением 1,5×1,5 см;- Niobium in the form of rods with a diameter of 2.5 cm and racks with a cross section of 1.5 × 1.5 cm;
- Ниобиевая проволока диаметром 0,1 см и 0,25 см;- Niobium wire with a diameter of 0.1 cm and 0.25 cm;
- Лигатура Si-Cr-Y-Al в виде прутков диаметром 1,6 см;- Ligature Si-Cr-Y-Al in the form of rods with a diameter of 1.6 cm;
- Титан в виде листа 2 мм, порезанного на полосы шириной 2,5 см;- Titanium in the form of a sheet of 2 mm, cut into strips 2.5 cm wide;
- Гафниевая проволока диаметром 0,2 см;- Hafnium wire with a diameter of 0.2 cm;
- Циркониевая проволока диаметром 0,2 см;- Zirconium wire with a diameter of 0.2 cm;
- Молибден в виде штабика с сечением 2×2 см.- Molybdenum in the form of a staff with a section of 2 × 2 cm.
Общая длина электрода составила 47 см, вес 8 кг. Плавка расходуемого электрода проводилась в вакуумной дуговой установке в кристаллизаторе диаметром 130 мм. Полученный слиток был разрезан на 4 части и переплавлен в вакуумной индукционной печи в тигле на основе оксида иттрия при давлении аргона ~200 мм рт. ст. Разливка проводилась в графитовую изложницу, предварительно нагретую до 250°С.The total length of the electrode was 47 cm, weight 8 kg. The consumable electrode was melted in a vacuum arc installation in a mold with a diameter of 130 mm. The obtained ingot was cut into 4 parts and melted in a vacuum induction furnace in a crucible based on yttrium oxide at an argon pressure of ~ 200 mm Hg. Art. The casting was carried out in a graphite mold, preheated to 250 ° C.
Результаты химического анализа из проб, взятых по высоте отливки, представлены в таблице 1.The results of chemical analysis from samples taken by the height of the casting are presented in table 1.
Из таблицы 1 видно, что в сплаве, выплавленном по предлагаемому способу, содержания легирующих элементов в различных частях полученной заготовки практически не отличаются между собой.From table 1 it can be seen that in the alloy smelted according to the proposed method, the content of alloying elements in different parts of the obtained billet practically do not differ from each other.
Методом рентгеноструктурного качественного анализа установлено, что в полученном сплаве присутствуют две фазы:By the method of x-ray structural analysis it was found that in the obtained alloy there are two phases:
- твердый раствор на основе ниобия (Nb) с кубической сингонией, эмпирическая формула α-(Nb, Ti, Mo));- a solid solution based on niobium (Nb) with cubic syngony, the empirical formula is α- (Nb, Ti, Mo));
- интерметаллидная фаза на основе химического соединения Nb5Si3 с гексагональной сингонией, эмпирическая формула (Nb,Ti,Hf)5Si3.- intermetallic phase based on the chemical compound Nb 5 Si 3 with hexagonal syngony, the empirical formula (Nb, Ti, Hf) 5 Si 3 .
Приблизительное содержание фаз в сплаве определено по данным полуколичественного фазового анализа и представлено в таблице 2.The approximate phase content in the alloy is determined according to the semiquantitative phase analysis and is presented in table 2.
Пример 2Example 2
По предлагаемому способу осуществляли выплавку высокожаропрочного сплава на основе ниобиевой матрицы с интерметаллидным упрочнением состава (% масс): Nb(осн.)-(14,0-16,0)Ti-(9,0-10,0)Hf-(5,0-6,0)Si-(4,0-5,0)W-(3,0-4,0)Cr-(0,5-1,0)Al.According to the proposed method, a high-temperature alloy based on a niobium matrix was smelted with intermetallic hardening of the composition (% of mass): Nb (basic) - (14.0-16.0) Ti- (9.0-10.0) Hf- (5 , 0-6.0) Si- (4.0-5.0) W- (3.0-4.0) Cr- (0.5-1.0) Al.
Для сбора расходуемого электрода применяли следующие материалы:The following materials were used to collect the consumable electrode:
- Ниобий в виде штабиков с сечением 2×2 см;- Niobium in the form of racks with a section of 2 × 2 cm;
- Титан в виде листа 2 мм, порезанного на полосы шириной 2,5 см;- Titanium in the form of a sheet of 2 mm, cut into strips 2.5 cm wide;
- Гафний в виде проволоки диаметром 0,25 см;- Hafnium in the form of a wire with a diameter of 0.25 cm;
- Кремний кристаллический в виде мелких кусков, завернутых в алюминиевую фольгу;- Crystalline silicon in the form of small pieces wrapped in aluminum foil;
- Вольфрам в виде прутков диаметром 0,4 см;- Tungsten in the form of rods with a diameter of 0.4 cm;
- Проволока алюминиевая диаметром 0,2 см;- Aluminum wire with a diameter of 0.2 cm;
- Хром в виде мелких кусков, завернутых в алюминиевую фольгу;- Chrome in the form of small pieces wrapped in aluminum foil;
- Ниобиевая проволока диаметром 0,1 см и 0,25 см.- Niobium wire with a diameter of 0.1 cm and 0.25 cm.
Общая длина электрода составила 51 см, вес 7,9 кг. Плавка расходуемого электрода проводилась в вакуумной дуговой установке в кристаллизаторе диаметром 130 мм. Полученный слиток был разрезан на 4 части и переплавлен в вакуумной индукционной печи в тигле на основе оксида иттрия при давлении аргона ~175 мм рт. ст. Разливка проводилась в керамическую форму, предварительно нагретую до 1000°С.The total length of the electrode was 51 cm, weight 7.9 kg. The consumable electrode was melted in a vacuum arc installation in a mold with a diameter of 130 mm. The obtained ingot was cut into 4 parts and melted in a vacuum induction furnace in a crucible based on yttrium oxide at an argon pressure of ~ 175 mm Hg. Art. The casting was carried out in a ceramic mold, preheated to 1000 ° C.
Результаты химического анализа из проб, взятых по высоте отливки, представлены в таблице 3.The results of chemical analysis from samples taken by the height of the casting are presented in table 3.
Из таблицы 3 видно, что в сплаве, выплавленном по предлагаемому способу, содержания легирующих элементов в различных частях полученной заготовки практически не отличаются между собой.From table 3 it can be seen that in the alloy smelted according to the proposed method, the content of alloying elements in different parts of the obtained workpiece practically do not differ from each other.
Методом рентгеноструктурного качественного анализа установлено, что в полученном сплаве присутствуют две фазы:By the method of x-ray structural analysis it was found that in the obtained alloy there are two phases:
- твердый раствор на основе ниобия (Nb) с кубической сингонией, эмпирическая формула α-(Nb, Ti, Mo));- a solid solution based on niobium (Nb) with cubic syngony, the empirical formula is α- (Nb, Ti, Mo));
- интерметаллидная фаза на основе химического соединения Nb5Si3 с гексагональной сингонией, эмпирическая формула (Nb,Ti,Hf)5Si3.- intermetallic phase based on the chemical compound Nb 5 Si 3 with hexagonal syngony, the empirical formula (Nb, Ti, Hf) 5 Si 3 .
Приблизительное содержание фаз в сплаве определено по данным полуколичественного фазового анализа и представлено в таблице 4.The approximate phase content in the alloy is determined according to semi-quantitative phase analysis and is presented in table 4.
Предлагаемый способ позволяет получать высокожаропрочные сплавы на основе ниобиевой матрицы с интерметаллидным упрочнением с равномерным химическим составом.The proposed method allows to obtain high-temperature alloys based on a niobium matrix with intermetallic hardening with a uniform chemical composition.
Использование изобретения позволяет получать заготовки высокожаропрочных сплавов на основе ниобиевой матрицы с интерметаллидным упрочнением для последующего литья с направленной структурой, что позволяет повысить ресурс и надежность работы авиационных газотурбинных двигателей.The use of the invention allows to obtain billets of high-temperature alloys based on a niobium matrix with intermetallic hardening for subsequent casting with a directional structure, which improves the resource and reliability of aircraft gas turbine engines.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015108377/02A RU2595084C1 (en) | 2015-03-11 | 2015-03-11 | Method of producing heat-resistant alloy based on niobium matrix with intermetallic hardening |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015108377/02A RU2595084C1 (en) | 2015-03-11 | 2015-03-11 | Method of producing heat-resistant alloy based on niobium matrix with intermetallic hardening |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2595084C1 true RU2595084C1 (en) | 2016-08-20 |
Family
ID=56697546
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015108377/02A RU2595084C1 (en) | 2015-03-11 | 2015-03-11 | Method of producing heat-resistant alloy based on niobium matrix with intermetallic hardening |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2595084C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115233063A (en) * | 2022-06-23 | 2022-10-25 | 哈尔滨工业大学 | A kind of high strength and toughness high temperature NbSiTiCx alloy and preparation method thereof |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1989010982A1 (en) * | 1988-05-05 | 1989-11-16 | Martin Marietta Corporation | Arc-melting process for forming metallic-second phase composites and product thereof |
| RU2100467C1 (en) * | 1990-06-06 | 1997-12-27 | Кабот Корпорейшн | Article of alloy based on refractory metal and wire of tantalum-based alloy |
| US20060147335A1 (en) * | 2004-12-31 | 2006-07-06 | Bewlay Bernard P | Niobium-silicide based compositions, and related articles |
| RU2416656C2 (en) * | 2004-10-27 | 2011-04-20 | Х.К. Штарк Инк. | Procedure for fabrication of processed product including silicon containing alloy of niobium and tantalum (its versions), cups of deep drawing and targets of ion sputtering produced out of it |
-
2015
- 2015-03-11 RU RU2015108377/02A patent/RU2595084C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1989010982A1 (en) * | 1988-05-05 | 1989-11-16 | Martin Marietta Corporation | Arc-melting process for forming metallic-second phase composites and product thereof |
| RU2100467C1 (en) * | 1990-06-06 | 1997-12-27 | Кабот Корпорейшн | Article of alloy based on refractory metal and wire of tantalum-based alloy |
| RU2416656C2 (en) * | 2004-10-27 | 2011-04-20 | Х.К. Штарк Инк. | Procedure for fabrication of processed product including silicon containing alloy of niobium and tantalum (its versions), cups of deep drawing and targets of ion sputtering produced out of it |
| US20060147335A1 (en) * | 2004-12-31 | 2006-07-06 | Bewlay Bernard P | Niobium-silicide based compositions, and related articles |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115233063A (en) * | 2022-06-23 | 2022-10-25 | 哈尔滨工业大学 | A kind of high strength and toughness high temperature NbSiTiCx alloy and preparation method thereof |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102181809B (en) | Large-size metallic glass composite material with tensile ductility and preparation method thereof | |
| CN107739958B (en) | A kind of high entropy alloy containing eutectic structure and preparation method thereof | |
| CN103122431B (en) | Preparation method for magnesium-lithium alloy with enhanced long-period structure phase | |
| CN102925822B (en) | Metal glass composite material with high-oxygen content and preparation method thereof | |
| RU2618038C2 (en) | Method for obtaining a heat-resistant alloy based on niobium | |
| WO2018228142A1 (en) | Aluminum thermal self-propagation gradient reduction and slag washing and refining-based method for preparing titanium alloy | |
| CN106756081A (en) | The preparation method of big specification Ti Al Nb series alloy fines crystalline substance ingot casting | |
| CN107848034B (en) | Method for preparing electrodes from alloys based on nickel-aluminum compounds | |
| CN115229382A (en) | High-entropy brazing filler metal for brazing composite material and superalloy, and preparation method and method for brazing superalloy | |
| RU2623540C1 (en) | Granulated high-temperature nickel alloy and product manufactured therefrom | |
| CN106756372B (en) | A kind of high-performance aluminizing-preparation method of rare earth alloy and its product of preparation | |
| CN109112367B (en) | Graphene-reinforced Al-Si-Mg cast aluminum alloy and preparation method thereof | |
| RU2437949C1 (en) | Cast composite material on base of magnesium alloy and procedure for its manufacture | |
| CN111636026B (en) | A kind of high niobium and low density refractory multi-principal alloy and its vacuum drop casting method | |
| CN106011574B (en) | A kind of Nb-Si based alloys of no hafnium high antioxidant and preparation method thereof | |
| CN102899592B (en) | Plastic zirconium-based metal glass and preparation method thereof | |
| CN102912259A (en) | Zirconium-based metal glass endogenic composite material and preparation method thereof | |
| CN105568077B (en) | A kind of welding al-si eutectic alloy bar and its preparation process | |
| RU2595084C1 (en) | Method of producing heat-resistant alloy based on niobium matrix with intermetallic hardening | |
| CN111575572B (en) | A kind of B-doped TiZrNb multi-principal alloy and preparation method thereof | |
| CN104264082A (en) | Nitrogen-doped toughened metallic glass composite material and preparation method thereof | |
| CN115971723B (en) | Amorphous titanium-based brazing material strip and its preparation method and application | |
| CN105803234A (en) | Controllable magnesium-containing hydrogen storage alloy preparation method | |
| RU2624562C1 (en) | METHOD OF PRODUCING BILLETS FROM ALLOYS BASED ON INTERMETALLIDES OF Nb-Al SYSTEM | |
| CN102002649B (en) | High-toughness magnesium based block body metal glass composite material and preparation method thereof |