Композиційний матеріал на основі ніобію, зміцнений силицидами ніобію, і виріб, виконаний з нього

 

Винахід відноситься до розробки високотемпературних композиційних матеріалів, переважно евтектичних композиційних матеріалів на основі ніобію, зміцнених силицидами ніобію, призначених для виготовлення теплонагруженних виробів, зокрема лопаток гарячого тракту газотурбінних двигунів (ГТД), що довгостроково працюють при температурах 1300-1350°C, і може бути використано в авіаційній та енергетичної промисловості.

Відомі композиційні матеріали системи Nb-Si-Ti і легованої системи Nb-Si-Ti-Hf-Cr-Al, матрицею яких служить ниобиевий твердий розчин, а упрочнителями - силіциди ніобію. Ці композиційні матеріали отримують методами порошкової металургії, що включають перемішування вихідних порошків в аттриторах, з наступним гарячим ізостатичним пресуванням порошкової суміші при температурах 1450°C-1550°C і тиску 25-35 МПа не більше 5 хвилин. Поряд з невисокою короткочасної міцністю при 1350°C, дорівнює 20-30 МПа, дані композиційні матеріали володіють істотним недоліком, що полягає в неможливості виготовляти з них порожнисті охолоджувані лопатки першого ступеня турбін високого тиску перспективних авіаційних ГТД (патент РФ №2393060, опубл. 27.06.2 рах, застосовують більш складні системи легування, а також використовують ливарні технології, зокрема методи спрямованої кристалізації. Так, відомий композиційний матеріал наступного хімічного складу, ат.%:

Кремній9,0-25,0
Титан5,0-25,0
Гафнійдо 20,0
Хром1,0-25,0
Алюміній1,0-20,0
Реній1,0-30,0
Рутенійдо 30,0
Щонайменше один метал,
обраний із групи, що містить
вольфрам, тантал і молібдендо 30,0
НіобійІнше

а також виріб, виконаний з нього (патент США №7,704,335, опубл. 27.04.2010 р.).

Даний композиционЀ зазначеного складу, потім по виплавлюваних моделях проводять спрямовану кристалізацію фасонних деталей, близьких за розмірами і формою до лопаток ГТД. Основний недолік такого композиційного матеріалу і виробу, виконаного з нього, - висока вартість, т. к. до складу матеріалу входить рідкісний елемент реній, а також елемент платинової групи рутеній. Інший недолік полягає в великій щільності композиційного матеріалу і виробу, виконаного з нього, оскільки матеріал містить важкі легуючі елементи, такі як вольфрам, тантал, реній.

Найбільш близьким аналогом (прототипом) заявленого винаходу є композиційний матеріал MASC (Metal And Silicide Composite), розроблений американською фірмою General Electric, наступного хімічного складу, ат.%:

Проведені дослідження показали, що композиційний матеріал по прототипу має недостатньо високу короткочасною і тривалою міцністю (жароміцністю) при підвищених температурах. Досягнуті значення короткочасної міцності σ на вигин склали 450 МПа при 1350°C, а тривала міцність (жароміцність) σ100при температурі 1300°C дорівнювала 11,2 МПа, при щільності ρ, дорівнює 7,0 г/см3.

Технічним завданням пропонованого винаходу є створення композиційного матеріалу на основі ніобію та вироби, виконаного з нього, поліпшеної якості, здатних працювати при високих температурах. Технічним результатом винаходу є підвищення короткочасної міцності σ композиційного матеріалу на основі ніобію, зміцненого силицидами ніобію, і виробу, виконаного з нього, при 1350°C до значень не менше 500 МПа, а також тривалої міцності σ100при 1300°C до значень не менше 50 МПа, при щільності ρ не більше 7,5 г/см3.

Для досягнення заявленого технічного результату запропоновано композиційний матеріал на основі ніобію, зміцнений силицидами ніобію, що містить кремній, титан, гафній, алюміній, хром, який допов�"1" cellpadding="0" cellspacing="0" frame="none">

Хром2,0
Гафній8,2
Алюміній1,9
Титан24,7
Кремній16,0
НіобійІнше
Кремній15,0-17,0
Титан12,0-16,0
Гафній2,5-5,5
Алюміній2,0-4,0
Хром3,0-5,0
Цирконій4,0-6,0
Молібден8,0-12,0
Ітрій0,5-2,0
Ніобійінше

а також виріб, який виконано із запропонованого композиційного матеріалу. Запропонований композиційний матеріал може містити силицид ніобію Nb5Si3та/або силицид ніобію Nb3Si. Зміст силіцидів ніобію в композиційному матеріалі може складати не більше 50 об'ємних %.

Легування твердого розчину ніобію цирконієм і молібденом підвищує його міцність. Це відбувається внаслідок того, що дані елементи добре розчиняються в ніобії, при цьому цирконій надає модифікуючу дію на спрямовану структуру комп� руйнування. Спільне легування цирконієм і молібденом надає рафинирующее дію на структуру матеріалу після термічної обробки. Введення цирконію, молібдену і ітрію в змісті, нижче мінімально заявленого, не забезпечує необхідних міцнісних характеристик композиційного матеріалу. Перевищення максимально заявленого вмісту зазначених елементів призводить до появи структурних дефектів, що підвищують крихкість матеріалу.

Эвтектическая концентрація кремнію в бінарній діаграмі Nb-Si дорівнює 16 атомних %, і тому концентрація кремнію в композиційному матеріалі повинна відхилятися від цієї величини не більше ніж на 1 атомний % в більшу або меншу сторону, при цьому вміст интерметаллидной фази силіцидів ніобію в композиційному матеріалі буде становити близько 50 об'ємних %.

Оптимальне співвідношення компонентів композиційного матеріалу на основі ніобію, зміцненого силицидами ніобію, дозволяє підвищити його високотемпературні міцнісні властивості з одночасним зниженням швидкості окислення. Цьому значною мірою сприяє введення хрому, алюмінію та ітрію до складу композиційного матеріалу. Гафній чинить додатковий зміцнюючі дії�нного матеріалу і тим самим сприяє підвищенню його високотемпературних міцнісних властивостей.

Застосування виробів із запропонованого композиційного матеріалу на основі ніобію малої щільності, не більше 7,5 г/см3зокрема робочих лопаток ГТД, що володіють заявленими значеннями міцності, дозволяє підняти температуру газу на вході в турбіну до 2000-2200 До, зменшивши при цьому вага роторної частини турбіни високого тиску на 12-15% і підвищивши тим самим питому тягу двигуна.

Приклад здійснення винаходу

Для отримання прекурсорів запропонованого композиційного матеріалу і матеріалу-прототипу застосовували індукційну плавку у завислому стані в атмосфері аргону. Отриманий розплав виливали в мідну виливниці. Безпосередньо композиційні матеріали отримували методом спрямованої кристалізації у вакуумній установці.

У процесі спрямованої кристалізації прекурсорів складу, близького до эвтектическому, були виплавлені композиційні матеріали чотирьох складів, матрицею яких служив твердий розчин ніобію, а зміцнюючої фазою - орієнтовані пластини силіцидів ніобію Nb3Si, Nb5Si3з об'ємним вмістом 45%.

У зв'язку з відсутністю Госту, що регламентує високотемпературні випробування на вигин, дані випробування проводили сл� температурі 1350°C. Тривалу міцність протягом 100 годин визначали також за результатами випробування на вигин при 1300°C в режимі повзучості при двох різних навантаженнях. Щільність зразків оцінювали методом зважування.

Запропонований композиційний матеріал був виплавлений в трьох складах, четвертий композиційний матеріал був виплавлений по прототипу. Вміст елементів в досліджуваних композиційних матеріалах, їх міцнісні властивості і щільність наведені в таблиці.

З отриманих композиційних матеріалів методом прецизійного лиття по виплавлюваних моделях високоградієнтною установці для спрямованої кристалізації виготовили лопатки турбін високого тиску ГТД. Оболонкові форми для відливання лопаток були отримані методом фарбування з використанням порошку з плавленого оксиду ітрію Y2O3, інертного до ниобиевим расплавам при високих температурах.

Як випливає з таблиці, розроблений композиційний матеріал при температурі 1350°C мав короткочасну міцність, рівну 508-584 МПа, і 100-годинний межа тривалої міцності при температурі 1300°C, рівний 56-61 МПа при щільності, що дорівнює 7,3-7,5 г/см3. Таким чином, запропонований композиционн�лям міцності значно перевершують прототип, зберігаючи значення густини на рівні прототипу, і забезпечують заявлений технічний результат.

1. Композиційний матеріал на основі ніобію, зміцнений силицидами ніобію, що містить кремній, титан, гафній, алюміній і хром, що відрізняється тим, що він додатково містить цирконій, молібден та ітрій, при наступному співвідношенні компонентів, ат.%:

Кремній15,0-17,0
Титан12,0-16,0
Гафній2,5-5,5
Алюміній2,0-4,0
Хром3,0-5,0
Цирконій4,0-6,0
Молібден8,0-12,0
Ітрій0,5-2,0
НіобійІнше

2. Композиційний матеріал з п. 1, який відрізняється тим, що він містить силицид ніобію Nb5Si3.

3. Композиційний матеріал з п. 1, який відрізняється тим, що зміст силіцидів ніобію в матеріалі становить не більше 50 об.%.

5. Виріб з композиційного матеріалу, що відрізняється тим, що воно виконано з матеріалу з п. 1.



 

Схожі патенти:
Винахід відноситься до галузі металургії, а саме до складів сплавів, які можуть бути використані в ювелірній справі. Ювелірний сплав містить, мас.%: золото 58,3-58,5; цинк 0,4-0,5; мідь 38,2-39,6; галій 1,5-3,0. Винахід спрямовано на розширення асортименту ювелірних виробів і спрощення технології їх отримання. 1 табл.
Винахід відноситься до розробки прецизійних сплавів для мікрометалургійних процесів, в тому числі для одержання функціональних покриттів, плівок, мікродротів, порошкових матеріалів, конструктивно-функціональні елементи з яких ефективно працюють в жорстких умовах експлуатації, таких як негативний вплив механічних навантажень, зносу, хімічних реагентів, позитивних і негативних температур. Сплав містить, мас.%: нікель 33,0-56,0, цирконій 3,0-5,0, хром 5,0-9,0, гафній 3,0-8,0, церій 0,2-2,0, лантан 0,5-1,5, ітрій 1,5-3,0, нітрид бору 0,6-1,2, мідь - інше, при цьому розмір частинок нітриду бору становить 60-80 нм. Технічний результат винаходу полягає в розширенні діапазону робочих температур, підвищення адгезії до понад 10 МПа і мікротвердості до понад 20 ГПа. 2 пр.

Поршневе кільце з покриттям, нанесеним шляхом термічного напилення, та спосіб його одержання

Винахід відноситься до галузі металургії, зокрема до поршневому кільцю для двигуна внутрішнього згоряння з покриттям, нанесеним термічним напиленням порошку. Порошок для термічного напилення включає тверді мастильні матеріали і має наступний зміст елементів, мас.%: 15-30 заліза, 15-30 вольфраму, 25-35 хрому, 10-35 нікелю, 1-5 молібдену, 0,2-3 алюмінію, 3-20 міді, 1-10 вуглецю, 0,1-2 сірки, 0,1-2 кремнію. Захисне покриття, нанесене термічним напиленням на поршневе кільце, характеризується достатньою в'язкістю руйнування при високих втомних характеристик, підвищеною зносостійкістю, хорошою стійкістю до нагару і заїдання. 2 н і 13 з.п. ф-ли, 4 іл., 2 табл.
Винахід відноситься до галузі металургії, зокрема до жароміцних хромонікелевим сплавів з аустенітної структурою. Жароміцний хромоникелевий сплав з аустенітної структурою, що містить, мас.%: вуглець 0,05-0,10, хром 24-27, нікель 33-35, ніобій 0,6-1,3, церій 0,005-0,10, цирконій 0,005-0,10, лантан 0,005-0,10, кремній 0,81-1,50, марганець 0,60-1,20, ванадій 0,005-0,20, титан 0,005-0,15, алюміній 0,001-0,10, вольфрам менше 0,10, залізо і домішки - інше. Підвищується жароміцність аустенітного сплаву. 1 пр.
Винахід відноситься до галузі металургії, а саме до термомеханічної обробки монокристалів феромагнітного сплаву нового складу Fe-Ni-Co-Al-Ti, і може бути використане для створення виконавчих механізмів, датчиків, актюаторов, демпфуючих елементів. Спосіб термічної обробки монокристалів феромагнітного сплаву Fe-Ni-Co-Al-Ti з ефектом пам'яті форми і сверхэластичностью, орієнтованих вздовж [001] спрямування при деформації розтягом, включає гомогенизационний відпал монокристалів феромагнітного сплаву, що містить, мас.%: Fe-42,8, Ni-30,7, З-18,4, А1-5,8, Ti-2,3, в атмосфері інертного газу He при температурі 1250°C протягом 10 годин, нагрівання і витримку при температурі 1280°C протягом 1 год з наступним загартуванням у воду кімнатної температури і старіння в атмосфері інертного газу He при температурі 600-700°C протягом 1-7 годин з подальшим охолодженням у воді. Сплави володіють ефектом пам'яті форми і сверхэластичностью. 1 табл., 1 пр.
Винахід відноситься до металургії, зокрема до конструкційних матеріалів для ядерних енергетичних установок і матеріалів для зварюваних деталей і конструкцій, що працюють при підвищених температурах у високоагресивних середовищах. Сплав на основі нікелю містить, мас.%: хром 38-44, принаймні, один метал, обраний із групи, що містить молібден і вольфрам, 1-3, церій 0,01-0,2, магній 0,005-0,05, азот 0,05-0,25, нікель - інше. Сплав характеризується підвищеними механічними властивостями, стійкістю до радіаційного окрихчування, а також високою корозійною стійкістю зварних з'єднань. 8 табл.

Сплав для постійних магнітів

Винахід відноситься до галузі металургії, зокрема до сплавів для постійних магнітів. Сплав для постійних магнітів містить, мас.%: кобальт 34,5-35,5, нікель 14,0-14,5, мідь 3,8-4,2, алюміній 7,0-7,5, титан 5,0-5,5, сірка 0,15-0,25, олово 0,1-0,2, гафній 1,0-2,0, залізо - інше. Сплав характеризується підвищеними магнітними характеристиками та низьким температурним коефіцієнтом індукції. 1 табл.

Придатний для зварювання, жароміцний, стійкий до окислення сплав

Винахід відноситься до галузі металургії, а саме до жароміцних, стійким до окислення сплавів, придатним для зварювання. Сплав містить такі компоненти, мас.%: 25-32 заліза, 18-25 хрому, 3,0-4,5 алюмінію, 0,2-0,6 титану, 0,2-0,4 кремнію, 0,2-0,5 марганцю, до 2,0 кобальту, до 0,5 молібдену, до 0,5 вольфраму, до 0,01 магнію, вуглецю до 0,25, до 0,025 цирконію, до 0,01 ітрію, до 0,01 церію, до 0,01 лантану, нікель і домішки - інше. Зміст Al+Ti складає від 3,4 до 4,2 мас.%, а хром і алюміній присутні в таких кількостях, щоб ставлення Cr/Al становила від 4,5 до 8. Сплав характеризується високою жароміцністю, стійкістю до окислення, низькою схильністю до утворення і зростання зварювальних тріщин при затвердінні і хорошою стійкістю до розтріскування в результаті деформаційного старіння. 2 н. і 6 з.п. ф-ли, 4 іл., 17 табл.
Винахід відноситься до металургії, а саме до γ/γ'-суперсплавам на основі нікелю. Сплав містить, мас.%: аж до 20 суми З і Fe, між 17 і 21 Сг, між 0,5 та 3 суми Мо і W, не більше 2 Мо, між 4,8 і 6 Аl, між 1,5 і 5 Та, між 0,01 і 0,2 суми З і В, між 0,01 і 0,2 Zr, між 0,05 і 1,5 Hf, між 0,05 і 1,0 Si, і між 0,01 і 0,5 суми щонайменше двох елементів з актиноїдів і рідкоземельних металів, таких як Sc, Y і лантаноиди, причому зміст кожного елемента становить не більше 0,3. Сплав застосовують у високотемпературних компонентах, які представляють собою робочі лопатки, направляючі лопатки, теплові екрани, ущільнення або деталі камери згорання в газових турбінах, а також в якості присадочного сплаву для ремонтного зварювання та/або планування таких високотемпературних компонентів. Сплав володіє високими показниками стійкості до окислення, стійкості до високотемпературної корозії, міцності і пластичності, зварюваності. 6 н. і 15 з.п. ф-ли.

Твердий припой на основі железохромовой

Винахід відноситься до галузі металургії, зокрема до твердого припою на железохромовой основі з чудовою характеристикою змочування на матеріалі на основі нержавіючої сталі, причому твердий припой утворює паяное з'єднання з високою міцністю і хорошою корозійною стійкістю. Порошок твердого припою на железохромовой основі для пайки матеріалів на основі нержавіючої сталі містить, мас.%: між 11 і 35 хрому, між 0 і 30 нікелю, між 2 і 20 міді, між 2 і 6 кремнію, між 4 і 8 фосфору, між 0-10 марганцю, і, щонайменше, 20 заліза. Застосовують припій для паяння теплообмінників або каталітичних перетворювачів. 6 н. і 16 з.п. ф-ли, 3 іл., 2 табл., 8 пр.

Жароміцний матеріал на основі ніобію та способи його отримання

Винахід відноситься до галузі металургії, зокрема до шаруватим матеріалів, і може бути використане для виготовлення деталей авіаційно-космічної техніки, що працюють при високих температурах

Жароміцний дисперсно-зміцнений сплав на основі ніобію та способи його отримання

Винахід відноситься до галузі металургії, зокрема до жароміцних дисперсно-зміцненим сплавів на основі ніобію та способами їх отримання, і може бути використане для виготовлення деталей авіаційно-космічної техніки, що працюють при температурах до 1600°З
Винахід відноситься до галузі металургійного виробництва розпилюються металевих мішеней для мікроелектроніки, а також до виготовлення інтегральних схем і тонкоплівкових конденсаторів на основі танталу і його сплавів
Винахід відноситься до галузі кольорової металургії і може бути використане при виробництві сплавів титану
Винахід відноситься до металургії і може бути використане для виготовлення виробів, що працюють в умовах механічних навантажень при підвищених температурах

Стійка до високих температур ниобиевая дріт

Винахід відноситься до отримання ніобієвої дроту, придатної для застосування в якості дротяного виводу для ниобиевих, ниобийоксидних або танталових конденсаторів
Винахід відноситься до галузі металургії і стосується складів сплаву на основі ніобію, які можуть бути використані для виготовлення виробів, що працюють в умовах механічних навантажень при підвищених температурах
Винахід відноситься до галузі металургії і стосується складів сплавів на основі ніобію, які можуть бути використані для виготовлення виробів, що працюють в умовах механічних навантажень при підвищених температурах
Up!