Способ термообработки отливок из сплавов на основе гамма алюминида титана

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам термообработки отливок сплавов на основе гамма алюминида титана, и может быть использовано при получении изделий ответственного назначения, работающих при температурах до 800°С, в частности лопаток газотурбинных двигателей. Способ термообработки отливок из сплавов на основе гамма алюминида титана включает горячее изостатическое прессование, охлаждение до комнатной температуры и последующий нагрев при температуре ниже эвтектоидного превращения сплава. Горячее изостатическое прессование проводят при температуре выше эвтектоидного превращения сплава в фазовой области α+β+γ при следующем количестве фаз в сплаве, мас.%: бета-фаза (β) от 7 до 18, гамма-фаза (γ) от 5 до 16, альфа-фаза (α) - остальное. Снижается время термообработки, при этом сплавы имеют высокий уровень механических свойств. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл., 1 пр.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам термообработки отливок сплавов на основе гамма алюминида титана (γ-TiAl), и может быть использовано при получении изделий ответственного назначения, работающих при температурах до 800°C, частности, лопаток газотурбинных двигателей.

Литейные сплавы на основе алюминида титана TiAl (далее γ-сплавы) представляются одними из наиболее перспективных материалов для получения лопаток газотурбинных двигателей нового поколения [Appel F., Paul J.D.H., and Oehring M. «Gamma Titanium Aluminick Alloys: Science and Technology», Wiley-VCH Verlag & Co. KGaA, 2011, 745 p.]. Эти сплавы должны обладать не только высокими литейными свойствами, но и комплексом разных механических свойств: прочностью, пластичностью, усталостными свойствами, жаропрочностью и др. [Ильин А.А., Колачев Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства. Справочник. M.: ВИЛС-МАТИ, 2009, 520 с.]. Особенностью γ-сплавов является высокая чувствительность их фазового состава и, как следствие, эксплуатационных свойств даже к небольшим изменениям концентраций легирующих элементов и к параметрам технологического процесса, в частности к режиму термообработки.

Известно, что литые сплавы, как широко известные, так и создаваемые вновь, обладают «фундаментальным» недостатком, связанным с образованием усадочной пористости, в отливках, и это обстоятельство резко снижает потенциальные прочностные и жаропрочностные характеристики сплавов и изделий на их основе. Универсальным и широко используемым приемом, позволяющим решающим образом повысить качество отливок, является применение горячего изостатического прессования (ТИП). Поэтому отливки сплавов на основе алюминида титана, предназначенные для особо ответственных изделий, практически всегда подвергают ГИП-обработке. Температура ГИП-обработки в значительной мере определяет их конечную структуру и, как следствие, эксплуатационные свойства.

Известен способ термической обработки гамма-сплава, содержащего 45,0-48,5 ат.% Al раскрытый в патенте US 5,609,698 (Mar. 11, 1997). Данный способ включает предварительный нагрев при 1038-1149°C (1900-2100°F) в течение от 5 до 50 часов, ГИП-обработку при температуре около 1204°C (2200°F) и последующий нагрев при 1010-1204°C (1900-2100°F). В частном пункте данный способ термообработки рекомендуется для сплавов из группы: Ti-48Al-2Cr-2Nb, Ti-48Al-2Mn-2Nb, Ti-49Al-1V, Ti-47Al-1Mn-2Nb-0,5W-0,5Mo-0,2Si, Ti-47А1-5Nb-1W. Недостатком данного способа является то, что он не регламентирует фазовый состав при ГИП-обработке. Поскольку сплавы из указанной группы имеют разные фазовый состав при одной температуре, то предложенный способ не позволяет обеспечить стабильность эксплуатационных свойств.

Известен также способ термической обработки гамма-сплава, способного к формированию фаз α, α2 и γ, раскрытый в патенте US 6,231,699 (May, 15, 2001). Данный способ включает ГИП-обработку при температуре ниже трансуса альфа-фазы (на 50-250 F) в течение от 1 до 20 ч, повторный нагрев ниже трансуса альфа-фазы (на 5-300 F) для измельчения микроструктуры и образование гаммы фазы в количестве от 10 до 90 об.%. В частных пунктах данного изобретения отмечается стадия определения трансуса альфа-фазы.

Недостатком данного способа является невысокий предел текучести (в частности на литых лопатках σ0,2 составляет около 350 МПа). Широкий диапазон по количеству гаммы фазы не позволяет обеспечить стабильность эксплуатационных свойств.

Наиболее близким к предложенному является к способ термообработки отливок сплавов на основе гамма алюминида титана, раскрытый в патенте US 5,634,992 (Jun.3, 1997). В этом способе отливку сплава на основе алюминида титана (a piece of cast gamma titanium aluminide alloy), содержащего от 45,5 до 48,5 ат.% алюминия, подвергаются ГИП-обработке при температуре выше эвтектоидного превращения (в частном пункте при 1204-1260°С (2200-2300°F)), первому нагреву при 1149-1204°С (2100-2200°F) в течение, как минимум, 8 часов; второму нагреву при температуре ниже эвтектоидного превращения при 982-1093°С (1800-2000°F) в течение, как минимум, 8 часов. В частном пункте предусматривается третий нагрев при температуре ниже альфа-трансуса. Данный способ позволяет получить достаточно высокое сопротивление ползучести при 760°С (1400°F). Недостатками данного способа являются: а) невысокий предел текучести (σ0,2) - менее 400 МПа (53,2 KSi), б) длительность термообработки (более 16 часов без учета ГИП-обработки). Эти недостатки обусловлены тем, что фазовый состав сплава при температуре нагрева регламентируется исходя из двойной фазовой диаграммы Ti-Al. В то же время наличие легирующих элементов в гамма-сплавах (Nb, Cr, Mo, W, Мn и др.) требует использования соответствующих многокомпонентных фазовых диаграмм. Выбор температур отжига по двойной диаграмме Ti-Al не позволяет обеспечить оптимальную структуру и, как следствие, заданные механические свойства. Поскольку термообработку по известному способу (пат. US 5,634,992) проводят в фазовой области α+γ, не регламентируя количество фаз.

Задачей изобретения является создание нового способа термообработки отливок сплавов на основе гамма алюминида титана с целью достижения высокого уровня механических свойств, в частности, по пределу текучести, и снижения общего время термообработки.

Поставленная задача решена тем, что предложен способ термообработки отливок сплавов на основе гамма алюминидов титана, включающий горячее изостатическое прессование при температуре выше эвтектоидного превращения, охлаждение до комнатной температуры и последующий нагрев при температуре ниже эвтектоидного превращения, отличающийся тем, что горячее изостатическое прессование проводят в фазовой области α+β+γ при следующем количестве фаз, мас.%:

бета-фаза (β) - от 7 до 18 мас.%,

гамма-фаза (γ) - от 5 до 16 мас.%,

альфа-фаза (α) - остальное.

В частном исполнении способ термообработки отливок гамма сплавов отличается тем, что сплав содержит ниобий и молибден.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Наличие фаз в заявленных пределах при температуре ГИП-обработке позволяет получить достаточно дисперсную и однородную структуру в процессе эвтектоидного превращения (включая размер эвтектоидных колоний α2+γ и межпластинчатое расстояние внутри этих колоний). Частицы фаз β и γ в процессе ГИП-обработки приобретают компактную морфологию, которая мало меняется в процессе охлаждения и последующего нагрева. Это позволяет получить достаточную пластичность отливки при комнатной и повышенных температурах. Кроме того наличие этих частиц препятствует росту зерен α-фазы, что способствует малому размеру эвтектоидных колоний. При количестве фаз β и γ больше заявленных значений их морфология становится более вытянутой, что отрицательно сказывается на пластичности. При количестве этих фаз меньше заявленных значений их тормозящее влияние на рост зерен α-фазы снижается, что отрицательно сказывается на пределе текучести.

ПРИМЕР

Термообработке были подвергнуты образцы, вырезанные из отливок двух гамма сплавов, полученных в вакуумной плавильно-заливочной установке с медным водоохлаждаемым тиглем. Сплав №1 содержал 41,3% Al, 4,4% Nb и 1,1% Мо (ат.%), а сплав №2 - 42,6% Al, 4,1% Nb и 1,0% Мо (ат.%). ГИП-обработку образцов проводили в атмосфере аргона на установке HIRP 25/70-200-2000 (с графитовым нагревателем) при давлении 170 МПа в течение 3 часов. Температуру ГИП-обработки варьировали в пределах от 1080 до 1220°С. Загрузка литых образов в камеру ГИП-обработки показана на фигуре 1а, а сами образцы после ГИП-обработки - на фигуре 16. Последующий отжиг проводили в муфельной печи СНОЛ в воздушной атмосфере при 800°С в течение 3 часов.

Механические свойства отливок (условный предел текучести (σ0,2) и относительное укорочение (ε) оценивали при комнатной температуре по результатам испытаний на одноосное сжатие цилиндрических образцов, вырезанных из отливок (фигура 1), на универсальной испытательной машине Zwick Z250.

Микроструктуру литых и термообработанных образцов изучали на световом (СМ) и электронном сканирующем (СЭМ) микроскопах: Axio Observer MAT и JSM-6610LV соответственно. Количественный анализ фазового состава сплава при разных температурах проводили с помощью программы Thermo-Calc (версия TCW5, база данных TTTIAl).

Из табл.1 видно, что ГИП-обработка сплава №1 только в интервале температур от 1120 до 1160°С (режимы 3-5) обеспечивает требуемые значения массовых долей фаз β и γ. При меньшей температуре (режимы 1 и 2) для сплава №1 количество фаз γ и β выше заданного значения, а при большей температуре (режимы 6-8) фазы γ отсутствует. Для сплава №2 оптимальными являются режимы 6 и 7.

Таблица 1
Температуры ГИП-обработки, расчетные значения массовых долей фаз и механические свойства экспериментальных гамма сплавов
Т, °С Массовые доли фаз, мас.% Механические свойства
Сплав №1 Сплав №2 Сплав №1 Сплав №2
β γ α β γ α σ0,2, МПа ε, % σ0,2, МПа ε, %
1 1080 18,1 23,8 58,1 13,0 38,4 48,6 705 7 650 3
2 1100 17,9 19,6 62,3 12,4 34,7 52,9 720 8 665 4
3 1120 17,4 15,5 67,1 11,8 30,7 57,6 755 >10 685 5
4 1140 16,8 10,8 72,4 11,0 26,2 62,8 740 >10 705 7
5 1160 16,1 5,5 78,4 10,1 21,2 68,7 735 >10 720 8
6 1180 15,3 0 84,7 9,0 15,7 75,3 680 >10 725 >10
7 1200 16,4 0 83,6 7,8 9,0 82,7 675 >10 715 >10
8 1220 17,9 0 82,1 6,4 2,6 90,1 680 >10 685 >10

Значения σ0,2 и ε, приведенные в табл.1, показывают, что ГИП-обработка только в интервале температур, обеспечивающем заданное количество фаз β и γ (режимы 3-5 для сплава №1 и режимы 6-7 для сплава №2), позволяет получить предел текучести выше 700 МПа и относительное укорочение больше 10%. Испытание на одноосное сжатие не привели к разрушению образцов, термообработанных по оптимальным режимам, при достигнутом максимально возможном усилии на испытательной машине. Это свидетельствует о достаточно высокой пластичности испытываемых материалов (ε>10%).

Микроструктура сплава №1 после термообработки по режиму 3 (табл.1) показана на фигуре 2.

Термообработка по режимам 1-2 для сплава №1 и по режимам 1-5 для сплава №2 приводит к снижению пластичности. Термообработка по режимам 6-8 для сплава №1 и по режимам 1-3 и 8 для сплава №2 не обеспечивает заданного уровня предела текучести выше 700 МПа.

1. Способ термообработки отливок из сплавов на основе гамма алюминида титана, включающий горячее изостатическое прессование, охлаждение до комнатной температуры и последующий нагрев при температуре ниже эвтектоидного превращения сплава, отличающийся тем, что горячее изостатическое прессование проводят при температуре выше эвтектоидного превращения сплава в фазовой области α+β+γ при следующем количестве фаз в сплаве, мас.%:

бета-фаза (β) от 7 до 18
гамма-фаза (γ) от 5 до 16
альфа-фаза (α) остальное

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сплав отливки содержит ниобий и молибден.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству проволоки волочением, и может быть использовано для нагрева при изготовлении тонкой и тончайшей проволоки из никелида титана.

Изобретение относится к области получения наноструктурированных материалов путем обработки потоком порошковых частиц с использованием энергии взрыва, высокие физико-механические и химические свойства которых позволяют использовать для целей медицины, в том числе имплантатов.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокопрочным титановым сплавам, и может быть использовано в авиационной промышленности. Высокопрочный псевдо-бета титановый сплав содержит, мас.%: 5,3-5,7 алюминия, 4,8-5,2 ванадия, 0,7-0,9 железа, 4,6-5,3 молибдена, 2,0-2,5 хрома, 0,12-0,16 кислорода, остальное титан и примеси и, при необходимости, один или более дополнительных элементов, выбранных из N, С, Nb, Sn, Zr, Ni, Co, Cu и Si, причем каждый дополнительный элемент присутствует в количестве менее 0,1%, и общее содержание дополнительных элементов составляет менее 0,5 мас.%.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам обработки титанового сплава для использования в выхлопных системах двигателя внутреннего сгорания.

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к термомеханической обработке двухфазных титановых сплавов в процессе получения толстых листов и плит.
Изобретение относится к металлургии, а именно к обработке изделий из титана, и может быть применено в машиностроении, авиастроении. .

Изобретение относится к области наноструктурных материалов с ультрамелкозернистой структурой, в частности, двухфазных альфа-бета титановых сплавов, которые могут быть использованы для изготовления полуфабрикатов и изделий в различных отраслях техники, машиностроения, медицины.
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при изготовлении стержневых деталей с головками из титановых сплавов. .

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам изготовления тонких листов из жаропрочного псевдо-альфа-титанового сплава. .

Изобретение относится к области металлургии, в частности к листам из чистого титана, которые могут быть использованы для изготовления пластин теплообменников. .

Изобретение относится к деформационно-термической обработке сплавов с эффектом памяти формы, в частности сплавов на основе TiNi. Наноструктурный сплав титан-никель с эффектом памяти формы характеризуется структурой из наноскристаллических аустенитных зерен В2 фазы, в которой объемная доля зерен с размером менее 0,1 мкм и с коэффициентом формы зерен не более 2 во взаимно перпендикулярных плоскостях составляет не менее 90%. Более чем 50% зерен имеют большеугловые границы, разориентированные относительно соседних зерен на углы от 15° до 90°. Способ получения прутка из наноструктурированного сплава титан-никель с эффектом памяти формы включает термомеханическую обработку, сочетающую интенсивную пластическую деформацию и дорекристаллизационный отжиг. Интенсивную пластическую деформацию проводят в два этапа, на первом этапе осуществляют равноканальное угловое прессование с достижением накопленной степени деформации е≥4. На втором этапе осуществляют деформацию кузнечной вытяжкой и/или волочением. Отжиг проводят в процессе и/или после каждого этапа деформации. Равноканальное угловое прессование проводят при температуре не выше 400°С. Кузнечную вытяжку и волочение проводят с общей накопленной деформацией ε более 60% при постепенном снижении температуры в интервале t=450-200°C, а отжиг проводят при температуре, равной t=400-200°C. Повышаются механические и функциональные свойства сплава. 2 н.п. ф-лы, 2 ил., 1 пр.

Изобретение относится к способам термической обработки литых заготовок из заэвтектоидных интерметаллидных сплавов на основе фаз γ-TiAl и α2-Ti3Al. Способ термической обработки литых заготовок из заэвтектоидных интерметаллидных сплавов на основе фаз γ-TiAl+α2-Ti3Al, затвердевающих полностью через β-фазу, содержащих легирующие элементы, по крайней мере, бор и элементы, стабилизирующие β-фазу, включает охлаждение заготовок от температур β-фазовой области. Охлаждению подвергают заготовки непосредственно после затвердевания или после нагрева и выдержки при температурах β-фазовой области. При этом до температур (α+γ)- или (α+β+γ)-фазовой области заготовки охлаждают в зависимости от размера на воздухе, или принудительно на воздухе, или на воздухе в контейнере с формированием термодинамически неравновесной структуры, но со скоростью меньшей, чем скорость охлаждения при закалке выбранного состава сплава. Далее от температур (α+γ)- или (α+β+γ)-фазовой области до комнатной температуры заготовки охлаждают вместе с печью или продолжают охлаждать на воздухе с последующим отжигом при температурах (α+γ)- или (α+β+γ)-фазовой области и охлаждением после отжига вместе с печыо. Повышаются эксплуатационные свойства заготовок при сохранении высокой технологической пластичности. 4 з.п. ф-лы, 5 ил., 7 табл., 3 пр.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению труб из технически чистого титана с радиальной структурой. Для получения трубы из технически чистого титана с радиальной текстурой изготавливают заготовки в виде колец, деформируют с уменьшением толщины их стенок и увеличением их диаметра, а затем сваривают торцами встык с получением трубы. Деформацию колец с уменьшением толщины стенок осуществляют прокаткой на кольцепрокатном стане или ковкой на оправке на кузнечном оборудовании. Радиальная текстура сохраняется по длине трубы. 2 з.п. ф-лы, 6 ил., 2 пр.

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при изготовлении термомеханической детали турбомашины из бета- или альфа/бета-титанового сплава. Поковку упомянутой детали получают из слитка из титанового сплава, имеющего температуру Tβ превращения в бета-фазу. При этом осуществляют по меньшей мере один этап черновой ковки слитка при температуре T1, которая ниже температуры Tβ превращения в бета-фазу. Во время ковки слиток пластически деформируют с обеспечением во всех его точках локальной деформации, составляющей по меньшей мере 0,2. Полученную заготовку охлаждают и осуществляют этап окончательной ковки заготовки при температуре T2, которая выше температуры Tβ превращения в бета-фазу. Полученную поковку охлаждают. В результате обеспечивается возможность получения поковки с мелкозернистой и однородной структурой с размером зерна порядка от 50 до 100 мкм. 4 н. и 10 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к способу изготовления сварных изделий, преимущественно сварных каркасов искусственных клапанов сердца ИКС. Способ изготовления каркасов искусственных клапанов сердца из технически чистого титана включает сборку и сварку деформированной волочением проволоки и пластины и термическую обработку. Перед сборкой каркаса проволоку отжигают в вакуумной печи при температуре 550-600°С в течение 30-40 минут и охлаждают с печью, а после сварки проводят отжиг каркаса в вакуумной печи при температуре 550-600°С в течение 1,5-2 часов и охлаждение с печью. Повышается технологичность способа за счет снижения трудоемкости и длительности при высоких механических характеристиках. 1 табл., 1 пр.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам на основе гамма-алюминида титана и может быть использовано при получении изделий ответственного назначения, работающих при температурах до 800°C, в частности лопаток газотурбинных двигателей. Способ получения сплава на основе гамма-алюминида титана γ-TiAl, имеющего плотность при комнатной температуре не более 4,2 г/см3, температуру солидуса не менее 1450°C, количество фаз α2 и γ при 600-800°C не менее 20 мас.% и не менее 69 мас.% соответственно, суммарное количество этих фаз не менее 95 мас.%, а содержание ниобия в γ-фазе не менее 3 мас.%, заключается в том, что сплав на основе гамма-алюминида титана γ-TiAl, содержащий ниобий в количестве 1,3, или 1,5, или 1,6 ат.% и переходные металлы, выбранные из хрома в количестве 1,3 или 1,7 ат.% и циркония в количестве 1,0 ат.%, подвергают горячему изостатическому прессованию, совмещенному с термообработкой путем отжига при температуре 800°С и выдержки в течение 100 часов. Сплав обладает низкой плотностью и имеет стабильный фазовый состав при рабочих температурах. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 4 табл., 1 пр.
Изобретение относится к обработке металлов и может быть использовано при изготовлении поковок дисков горячим деформированием слитков из сплава на основе алюминида титана, основанного на орторомбической фазе Ti2NbAl. Слиток подвергают осадке-протяжке на восьмигранник с суммарным уковом 1,6-1,7. Окончательное деформирование осуществляют на рельефных бойках с 4-5 перемещениями по плоскости бойков, а затем в закрытом калибровочном штампе. Суммарный уков при окончательном деформировании составляет 3-5. В результате обеспечивается получение поковок дисков повышенной точности с однородной мелкозернистой структурой, обладающих высокими характеристиками удельной прочности и пластичности. 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 1 пр.

Изобретение относится к обработке металлов давлением, а именно к способам изготовления тонких листов из псевдо-альфа титановых сплавов. Способ изготовления тонких листов из псевдо-альфа титановых сплавов включает деформацию слитка в сляб, механическую обработку сляба, многопроходную прокатку сляба на подкат, резку подката на листовые заготовки, их сборку в пакет и его прокатку и адъюстажные операции. Многопроходную прокатку сляба осуществляют в несколько этапов. После разрезки подката на листовые заготовки проводят их адъюстажные операции. Сборку листовых заготовок в пакет осуществляют с укладкой таким образом, чтобы направление листов предыдущей прокатки было перпендикулярно направлению листов последующей прокатки. Прокатку пакета ведут на готовый размер, а затем из него извлекают полученные листы и проводят адъюстажные операции. При осуществлении способа обеспечивается получение микроструктуры листов, обеспечивающей высокий и равномерный уровень прочностных и пластических свойств. 1 ил., 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным сплавам на основе алюминида титана Ti3Al, и может быть использовано для изготовления деталей газотурбинных двигателей, силовых установок и агрегатов авиационного, топливно-энергетического и морского назначения. Сплав на основе алюминида титана Ti3Al содержит, мас.%: Al 13-15, Nb 3-6, V 2-4, Zr 0,5-1,0, Mo 1-3, Sn 0,5-3, Si 0,1-0,3, Ti - остальное. Заготовку из сплава на основе алюминида титана Ti3Al подвергают термоводородной обработке путем ее насыщения водородом с последующим отжигом в вакууме. Насыщение заготовки водородом ведут до концентрации 0,4-0,6 мас.% в две стадии, затем заготовку подвергают прокатке. Отжиг в вакууме проводят в две стадии с остаточным давлением не выше 5·10-5 мм рт.ст. Жаропрочный сплав на основе алюминида титана Ti3Al характеризуется высокими показателями пластичности и жаропрочности. 2 н.п. ф-лы, 1 табл.
Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к изготовлению заготовок из титановой губки. Способ изготовления заготовок из титана включает размещение частиц титановой губки в камере пресса, компактирование частиц губки до получения заготовки, ее прессование, удаление загрязнений с поверхности прессованной заготовки, покрытие ее смазкой и последующую прокатку. Перед размещением частиц титановой губки в камере пресса их нагревают в вакуумной нагревательной печи до температуры 700-800°C, легируют водородом до концентрации 0,1-0,9 мас.%, после чего снижают температуру в печи до температуры не ниже 300°C, компактирование ведут при температуре 300-700°С, прессование компактных заготовок осуществляют полунепрерывным методом через матрицу при температуре не выше 700°C с коэффициентом вытяжки не более двух, а затем при температуре не выше 700°C и коэффициенте вытяжки не менее трех, при этом прокатку заготовок проводят при температуре не выше 700°С, после которой осуществляют отжиг в вакууме при температуре не ниже 700°C. Обеспечивается возможность обрабатывать труднодеформируемый титан при более низких температурах, повышаются механические свойства получаемых заготовок. 1 пр.
Наверх