Сплав на основе титана

Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к производству титановых сплавов, и может быть использовано в конструкциях, работающих при температурах до 650°С, например для деталей корпуса и статорных лопаток компрессора высокого давления газотурбинных двигателей. Сплав на основе титана содержит, мас.%: Al 5,7-6,7, Sn 3,0-4,5, Zr 3,0-4,5, Mo 0,5-1,4, Nb 0,2-0,6, W 0,01-0,3, V 0,3-0,9, Fe 0,01-0,07, Si 0,3-0,52, С 0,03-0,10, O 0,03-0,14, Ti - остальное, при этом (V+Nb)≤1,1 мас.%. Сплав характеризуется повышенными прочностными характеристиками при температурах выше 600°С. Использование предлагаемого сплава повысит рабочую температуру применения деталей из титановых сплавов, в том числе статорных деталей КВД - направляющих лопаток, колец, проставок, корпусов авиационных газотурбинных двигателей, на 50°С. 2 табл., 5 пр.

 

Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к производству титановых сплавов, и может быть использовано в конструкциях, работающих при температурах до 650°С, например для деталей корпуса и статорных лопаток компрессора высокого давления газотурбинных двигателей.

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

Al	5,35-6,1
Sn	3,5-4,5
Zr	3,0-4,5
Mo	0,20-0,70
Nb	0,5-1,0
Si	0,2-0,6
С	0,03-0,10
Ti	остальное

(Патент США №4770726)

Из известного сплава изготавливают детали и узлы авиакосмической техники, в том числе диски, лопатки и другие детали компрессора высокого давления газотурбинных двигателей.

Недостатком сплава на основе титана является относительно низкая прочность полуфабрикатов и деталей в отожженном состоянии. Поэтому указанный сплав применяется преимущественно после упрочняющей термической обработки (закалка в масло и последующее старение). Сплав в термоупрочненном состоянии обладает пониженными характеристиками пластичности и вязкости разрушения и прочности при температурах более 600°С, что ограничивает его применение.

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

Al	5,5-6,5
Sn	2,0-4,0
Zr	3,5-4,5
Mo	0,3-0,5
Fe	≤0,03
Si	0,35-0,55
O	≤0,14
Ti	остальное

(Патент ЕР №0269196)

Из известного сплава изготавливают детали и узлы авиакосмической техники, в том числе диски компрессора высокого давления газотурбинных двигателей.

Недостатками сплава являются низкий уровень прочностных характеристик при температурах более 600°С, низкая технологичность при горячей деформации и повышенная чувствительность сплава к примеси железа из-за низкого содержания элементов, что ограничивает применение сплава.

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

Al	6,2-7,0
Sn	2,2-3,5
Zr	3,5-4,5
Mo	0,4-1,0
Nb	0,5-1,5
Si	0,1-0,22
О	0,05-0,12
С	0,02-0,1
Ti	остальное

(Патент РФ №2039112)

Из известного сплава на основе титана изготавливают детали и узлы авиакосмической техники, в том числе диски, лопатки и статорные детали компрессора высокого давления газотурбинных двигателей.

Недостатками сплава являются низкий уровень термической стабильности из-за высокого суммарного содержания алюминия, олова и циркония, что приводит к охрупчиванию материала после длительных воздействий рабочих температур, относительно низкий уровень прочностных характеристик в интервале рабочих температур.

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

Al	5,8-6,6
Sn	2,5-4,5
Zr	2,0-4,0
Mo	0,8-1,5
Nb	0,8-2,5
W	0,35-0,8
Fe	0,06-0,13
Si	0,25-0,45
С	0,05-0,1
О	0,05-0,12
Ti	остальное

(Патент РФ №2259414)

Из известного сплава изготавливают детали и узлы авиакосмической техники, в том числе диски компрессора высокого давления газотурбинных двигателей.

Недостатком сплава является низкий уровень прочностных характеристик при температурах более 600°С из-за относительно большого содержания бета-стабилизирующих элементов, что ограничивает применение сплава температурным диапазоном 550-600°С.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание сплава на основе титана, обладающего повышенными прочностными характеристиками при температурах более 600°С.

Поставленная техническая задача достигается тем, что сплав на основе титана, содержащий алюминий, олово, цирконий, молибден, ниобий, вольфрам, железо, кремний, углерод, кислород, дополнительно содержит ванадий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Al	5,7-6,7
Sn	3,0-4,5
Zr	3,0-4,5
Mo	0,5-1,4
Nb	0,2-0,6
W	0,01-0,3
Fe	0,01-0,07
Si	0,3-0,52
С	0,03-0,10
O	0,03-0,14
V	0,3-0,9
Ti	остальное

при суммарном содержании (V+Nb)≤1,1.

Установлено, что введение в состав сплава ванадия при суммарном его содержании с ниобием ≤1,1, а также ограничение содержания вольфрама (до 0,3%), железа (до 0,07%) при заявленном содержании и соотношении других компонентов, позволяют снизить содержание стабильной бета-фазы в сплаве до 1,5%, в то время как в сплаве-прототипе содержание β-фазы составляет 3%.

Снижение доли стабильной бета-фазы позволяет повысить прочностные свойства сплава при температурах более 600°С. Ограничение содержания вольфрама до 0,3% также способствует повышению эффективности твердорастворного упрочнения углеродом.

Примеры осуществления

Пример 1. Предлагаемый сплав в виде слитков выплавляли методом тройного вакуумно-дугового переплава. Затем слитки подвергали многопереходной ковке. Полученную поковку отжигали по режиму двухступенчатого отжига.

Примеры 2-5 аналогичны примеру 1.

В таблице 1 приведено содержание компонентов выплавленных слитков предлагаемого сплава и сплава-прототипа.

В таблице 2 приведены механические свойства поковок из предлагаемого сплава и сплава-прототипа.

Технический результат : в предлагаемом сплаве пределы текучести и прочности повышены на 10-15,8% при температуре испытания 650°С и на 15-20,4% при температуре испытания 700°С с сохранением высоких показателей механических свойств при комнатной температуре.

Предлагаемый сплав можно использовать для изготовления статорных деталей газотурбинных двигателей, работающих длительно при температурах до 650°С и кратковременно до 700°С.

Использование предлагаемого сплава на основе титана повысит рабочую температуру применения деталей из титановых сплавов (в том числе статорных деталей КВД - направляющих лопаток, колец, проставок, корпусов авиационных газотурбинных двигателей) на 50°С.

Таблица 1
№ п/п	Ti	Al	Sn	Zr	Mo	Nb	W	V	Fe	Si	С	O	(V+Nb)
1	ост.	5,7	3,0	3,0	0,5	0,2	0,01	0,9	0,01	0,3	0,03	0,03	1,1
2	″-″	6,4	3,8	3,8	1,2	0,2	0,15	0,3	0,05	0,4	0,07	0,10	0,5
3	″-″	6,7	4,5	4,5	1,4	0,4	0,3	0,6	0,07	0,52	0,10	0,14	1,0
4	″-″	6,5	4,0	4,0	1,2	0,6	0,2	0,3	0,06	0,45	0,07	0,10	0,9
Прототип	″-″	6,2	3,5	3,5	1,6	1,2	0,5	-	0,1	0,35	0,08	0,08	-

Таблица 2
№ п/п	Предел текучести при 650°С, $${\sigma }_{\mathrm{0,2}}^{650}$$ , МПа	Предел прочности при 650°С, $${\sigma }_B^{650}$$ , МПа	Предел текучести при 700°С, $${\sigma }_{\mathrm{0,2}}^{700}$$ , МПа	Предел прочности при 700°С, $${\sigma }_B^{700}$$ , МПа
1	642	738	585	628
2	654	736	612	645
3	678	747	624	661
4	648	744	590	630
Прототип	571	662	497	532

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

Al	5,7-6,7
Sn	3,0-4,5
Zr	3,0-4,5
Mo	0,5-1,4
Nb	0,2-0,6
W	0,01-0,3
Fe	0,01-0,07
Si	0,3-0,52
С	0,03-0,10
O	0,03-0,14
V	0,3-0,9
Ti	остальное

при суммарном содержании (V+Nb)≤1,1.