Сплав на основе титана и изделие, выполненное из него

Изобретение относится к области металлургии, а именно к разработке сплавов на основе титана, работающих при повышенных температурах, и может быть использовано в авиационной промышленности для изготовления деталей, например дисков, лопаток, колец, а также в машиностроении. Предложен сплав на основе титана и изделие, выполненное из него. Сплав включает алюминий, цирконий, олово, ниобий, молибден, кремний, углерод и кислород, при этом он дополнительно содержит вольфрам и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: алюминий 5,8 - 6,6, цирконий 2,0 - 4,0, олово 2,5 - 4,5, ниобий 0,8 - 2,5, молибден 0,8 - 1,5, кремний 0,25 - 0,45, углерод 0,05 - 0,1, кислород 0,05 - 0,12, вольфрам 0,35 - 0,8, железо 0,06 - 0,13, титан - остальное. Технический результат - разработка сплава, имеющего меньший вес при заданной кратковременной прочности и удельной малоцикловой усталости, что повысит ресурс и надежность деталей горячего тракта авиационных двигателей. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к разработке сплавов на основе титана, работающих при повышенных температурах.

Изобретение может быть использовано в авиационной промышленности для изготовления деталей авиационных двигателей (диски, лопатки, кольца и др.), машиностроении и других отраслях промышленности. Известен сплав на основе титана, имеющий следующий химический состав, мас.%:

Алюминий	5,35-6,1
Цирконий	3,25-5,0
Олово	3,5-4,5
Ниобий	0,5-1,5
Молибден	0,15-0,75
Кремний	0,2-0,6
Углерод	0,03-0,1
Титан	Остальное

(Патент ЕР №0107419).

Известен сплав на основе титана, имеющий следующий химический состав, мас.%:

Алюминий	5,5-6,5
Цирконий	3,5-4,5
Олово	2,0-4,0
Молибден	0,3-0,55
Кремний	0,35-0,55
Кислород	<0,14
Железо	<0,03
Титан	Остальное

(Патент ЕР №0269196).

Известные сплавы имеют пониженные значения кратковременной прочности при рабочих температурах 500-600°С и термической стабильности - удар с трещиной. Детали авиационных двигателей (диски, лопатки, кольца и др.), изготовленные из известных сплавов, имеют ограниченный ресурс работы при рабочих температурах.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является сплав на основе титана, имеющий состав, мас.%:

Алюминий	6,2-7,2
Цирконий	3,5-4,5
Олово	2,2-3,5
Ниобий	0,5-1,5
Молибден	0,4-1,0
Кремний	0,1-0,22
Углерод	0,02-0,1
Кислород	0,05-0,12
Титан	Остальное
При суммарном
содержании алюминия и олова	9,2-9,7 мас.%
кремния и кислорода	0,22-0,25 мас.%

(Патент РФ 2039112).

Сплав-прототип имеет недостаточно высокие значения удельного предела кратковременной прочности при температурах 500-600°С, удельной малоцикловой усталости при осевой нагрузке на базе 10⁴ циклов при температурах 20 и 550°. Детали авиационных двигателей (диски, лопатки, кольца и др.), изготовленные из сплава-прототипа, имеют ограниченный ресурс при температурах выше 500°С.

Технической задачей изобретения является разработка сплава, имеющего удельную длительную прочность и удельную ползучесть на уровне прототипа и обладающего более высокими характеристиками удельной кратковременной прочности при температурах 500-600°С и удельной малоцикловой усталости на базе 10⁴ циклов в интервале рабочих температур 20...600°С, позволяющего повысить надежность работы деталей авиационных двигателей.

Для достижения поставленной технической задачи предложен сплав, включающий алюминий, цирконий, олово, ниобий, молибден, кремний, углерод, кислород, который дополнительно содержит вольфрам и железо, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Алюминий	5,8-6,6
Цирконий	2,0-4,0
Олово	2,5-4,5
Ниобий	0,8-2,5
Молибден	0,8-1,5
Кремний	0,25-0,45
Углерод	0,05-0,1
Кислород	0,05-0,12
Вольфрам	0,35-0,8
Железо	0,06-0,13
Титан	остальное

и изделие, выполненное из него.

Из предлагаемого сплава могут изготавливаться штамповки, поковки, прутки, кольца и детали из них, работающие при температурах 500-600°С.

Авторами установлено, что дополнительное введение вольфрама и железа в сплав на основе титана с заявленными компонентами при одновременном повышении содержания кремния компенсирует потерю кратковременной прочности и малоцикловой усталости, обусловленные снижением концентрации примесей в сплаве. Введение вольфрама и железа в концентрациях, мало превышающих их растворимость в α- титане и одновременно исключающих протекание эвтектоидной реакции, замедляет процессы перераспределения легирующих элементов между α и β-фазами, что повышает термическую стабильность сплава и ресурс.

Повышение содержания кремния в сплаве приводит к частичной замене интерметаллидного упрочнения α₂(Al+Sn) силицидным за счет образования сложных силицидов (TiZr)₅Si₃ и карбосилицидов (TiZr)₃(SiC)₂, которые в виде дисперсных выделений упрочняют сплав, повышая его высокотемпературную удельную кратковременную прочность и малоцикловую усталость на базе 10⁴ циклов в диапазоне температур 20-600°С, сохраняя при этом высокую жаропрочность и сопротивление ползучести.

Примеры осуществления

Слитки предлагаемых сплавов изготавливали по технологии производства титановых сплавов, которая включала изготовление из шихтовых материалов расходуемого электрода и выплавку слитков трехкратным вакуумно-дуговым переплавом. Механически обработанные литые заготовки подвергались ковке и прокатке с целью получения полуфабрикатов - прутков диаметром 25 мм. Прутки подвергались термической обработке: двойному отжигу.

Составы предлагаемого сплава (№1-3) и сплава - прототипа №4 приведены в таблице 1. Свойства предлагаемого сплава и прототипа приведены в таблице 2.

Таблица 1
№п/п	Содержание компонентов в мас, %
	Al	Zr	Sn	Nb	Мо	Si	С	O	W	Fe	Ti
1	5,8	2,0	4.5	0,8	0,8	0,25	0,05	0,05	0,35	0,06	ост
2	6,2	3,5	3,5	1,6	1,0	0,35	0,08	0,08	0,5	0,10	ост
3	6,6	4,0	2,5	2,5	1,5	0,45	0,10	0,12	0,8	0,13	ост
4	6,7	4,2	2,8	1,0	0,7	0,15	0,07	0,10	-	-	ост

Таблица 2
№п/п	Свойства при температурах, °С
	20	550	600
	σв/ρ, км	σ0/ρ, км N=104 цикл	σв/ρ, км	σ0/ρ, км N=104 цикл	σв/ρ, км	σ100/ρ, км	σ0,2/100/ρ, км
образцы гладкие	образцы с надрезом r=0,25 мм	образцы гладкие	образцы с надрезом r=0,25 мм
1	23,8	21,3	10,4	18,6	14,0	7,7	17,5	7,9	3,64
2	25,4	21,8	10,9	19,3	14,6	8,3	18,2	7,95	3,64
3	25,9	22,0	11,3	20,0	15,4	8,6	18,6	7,95	3,66
4	23,8	19,5	8,8	15,8	12,5	6,5	14,1	7,9	3,64
Примечание: плотность сплавов №№1-4 равна 4,4 г/см3.

Как видно из таблицы 2, предлагаемый сплав имеет удельную длительную прочность (σ₁₀₀/ρ) и удельную ползучесть (σ_0,2/100/ρ) на уровне сплава прототипа и превосходит сплав-прототип по удельной кратковременной прочности (σ_в/ρ) при температурах 500-600°С на 17,1-24,1%, по удельной малоцикловой усталости (σ₀/ρ) при 20 и 50°С: на гладких образцах на 9,2-12%, на образцах с надрезом на 18,2-18,4%, на базе 10⁴ циклов.

Использование предлагаемого сплава за счет повышения удельной кратковременной прочности и удельной малоцикловой усталости позволит снизить вес, повысить ресурс и надежность деталей горячего тракта авиационных двигателей.

1. Сплав на основе титана, включающий алюминий, цирконий, олово, ниобий, молибден, кремний, углерод и кислород, отличающийся тем, что он дополнительно содержит вольфрам и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Алюминий	5,8-6,6
Цирконий	2,0-4,0
Олово	2,5-4,5
Ниобий	0,8-2,5
Молибден	0,8-1,5
Кремний	0,25-0,45
Углерод	0,05-0,1
Кислород	0,05-0,12
Вольфрам	0,35-0,8
Железо	0,06-0,13
Титан	Остальное

2. Изделие, выполненное из сплава на основе титана, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п.1.