Сплав на основе титана и изделие, выполненное из него
Владельцы патента RU 2614355:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU)
Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам на основе тинана, и может быть использовано при изготовлении тяжелонагруженных деталей и узлов, работающих при температуре до 600°С. Сплав на основе титана содержит, мас. %: алюминий 6,0-8,0, молибден - 0,4-1,3, олово - 1,5-3,5, цирконий 1,0-5,0, железо - 0,05-0,4, ниобий - 0,4-1,4, кремний - 0,1-0,4, тантал - 0,2-1,0, вольфрам - 0,3-1,3, бериллий - 0,01-0,15, титан - остальное. Сплав характеризуется высокими значениями кратковременной прочности при температурах 20°С и 600°С. 2 н.п. ф-лы, 2 табл., 4 пр.
Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно к титановым сплавам, применяемым для изготовления высоконагруженных деталей и узлов, работающих при температурах до 600°С, например для изготовления деформированных полуфабрикатов в виде дисковых и лопаточных заготовок для деталей компрессора газотурбинных двигателей (ГТД).
Из /RU 2039112 Сl, 09.07.1995/ известен сплав на основе титана, имеющий следующий химический состав, мас. %:
| алюминий | 5,8-6,6 |
| молибден | 0,8-1,5 |
| цирконий | 2,0-4,0 |
| железо | 0,06-0,13 |
| кремний | 0,25-0,45 |
| олово | 2,5-4,5 |
| ниобий | 0,8-2,5 |
| кислород | 0,05-0,12 |
| углерод | 0,05-0,1 |
| вольфрам | 0,35-0,8 |
| титан | остальное |
Недостатком сплава является относительно низкий уровень прочности в интервале температур от 20 до 550°С и узкий температурный интервал обработки давлением в двухфазной области (≈100°С).
Из /CN 101988167 А, 23.03.2010/ известен сплав на основе титана, имеющий следующий химический состав, мас. %:
| алюминий | 6,2-6,5 |
| цирконий | 3,5-4,0 |
| олово | 2,0-2,5 |
| молибден | 0,1-0,3 |
| ниобий | 0,6-0,9 |
| кремний | 0,3-0,4 |
| неодим | 0,4-0,8 |
| титан | остальное |
Недостатком сплава является низкий уровень прочностных свойств при комнатной и повышенных температурах, недостаточный уровень технологической пластичности при обработке давлением, что ограничивает применение сплава лишь сравнительно крупногабаритными поковками и штамповками, изготавливаемыми деформацией при высоких температурах.
Наиболее близким аналогом по составу и назначению является сплав на основе титана, раскрытый в /RU 2507289 С1, 20.02.2014/, который имеет следующий химический состав, мас. %:
| алюминий | 5,0-6,6 |
| молибден | 1,5-2,5 |
| цирконий | 1,0-2,8 |
| ванадий | 0,4-1,4 |
| железо | 0,08-0,40 |
| кремний | 0,08-0,28 |
| олово | 1,5-3,8 |
| ниобий | 0,4-1,2 |
| кислород | 0,02-0,18 |
| углерод | 0,008-0,080 |
| титан | остальное |
Недостатком сплава-прототипа является недостаточно высокий уровень прочности при комнатной и повышенных температурах. Высокий уровень пластичности может свидетельствовать о недостаточно высоких эксплуатационных характеристиках при повышенной температуре, в том числе кратковременной и длительной прочности при 600°С, что связано с недостаточной степенью дисперсионного и твердорастворного упрочнения α-и β-твердых растворов сплава.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение уровня кратковременной прочности титанового сплава при температуре 20°С на 4,0-7,5% и при 6000°С на 8,5-11,5% относительно прототипа при сохранении пластичности при 20°С на удовлетворительном уровне.
Для достижения поставленного технического результата предложен сплав на основе титана, содержащий алюминий, молибден, олово, цирконий, железо, ниобий, кремний, при этом он дополнительно содержит тантал, вольфрам и бериллий при следующем соотношении компонентов, мас. %:
| алюминий | 6,0-8,0 |
| молибден | 0,4-1,3 |
| олово | 1,5-3,5 |
| цирконий | 1,0-5,0 |
| железо | 0,05-0,4 |
| ниобий | 0,4-1,4 |
| кремний | 0,1-0,4 |
| тантал | 0,2-1,0 |
| вольфрам | 0,3-1,3 |
| бериллий | 0,01-0,15 |
| титан | остальное |
Также предложено изделие, выполненное из этого сплава.
Для достижения высокого уровня комплекса физико-механических свойств (прочности, жаропрочности, термической стабильности и технологичности) в сплав в указанном количестве были введены тантал, вольфрам и бериллий, являющиеся β-стабилизаторами. Данные элементы повышают сопротивление сплава окислению, температуру рекристаллизации и оказывают модифицирующее воздействие, повышающее уровень кратковременной прочности при повышенных температурах.
Сплав содержит близкое для жаропрочных титановых сплавов к предельно возможному количество α-стабилизирующего легирующего элемента (алюминий) и нейтральных упрочнителей (олово, цирконий), позволяющих обеспечить его высокую термостабильность и жаропрочность. Дальнейшее увеличение их количества в сплаве неизбежно приведет к снижению термической стабильности, а уменьшение их количества вызовет падение жаропрочных свойств.
Легирование сплава β-стабилизаторами (молибден, ниобий, тантал, вольфрам, железо) в указанных пределах позволяет повысить за счет твердорастворного упрочнения уровень кратковременной прочности при 20°С и обеспечить необходимый уровень его технологической пластичности при обработке давлением в верхнем температурном интервале (α+β)-области.
Поскольку жаропрочные сплавы в большинстве случаев при рабочей температуре характеризуются метастабильным фазовым составом, существенную роль для них приобретают процессы высокотемпературной диффузии и рекристаллизации. Подавление или замедление этих процессов позволяет повысить не только термостабильность сплава, но и его жаропрочность и жаростойкость. С данной целью в сплав введены Та и W, которые повышают температуру рекристаллизации приблизительно на 50°С и, следовательно, тормозят процессы распада метастабильных структур. Кроме этого, тантал, имея высокое сродство к кислороду, препятствует его диффузии в кристаллической решетке. Также тантал повышает сопротивление сплава проникающему окислению.
Кремний в указанном количестве позволяет реализовать одновременно твердорастворный и дисперсионный механизмы упрочнения благодаря наличию в структуре сплава силицидов. За счет своей высокой термической стабильности силициды позволяют повысить жаропрочность сплава. При меньшем содержании кремния количество силицидов недостаточно для значимого повышения жаропрочности, а при превышении указанного количества образуется слишком большое количество крупных выделений силицидов, снижающих пластичность, технологичность сплава и характеристики его длительной работоспособности.
Микродобавки бериллия обеспечивают модифицирующее воздействие на структуру сплава, что приводит к получению более мелкодисперсной и однородно распределенной в объеме полуфабриката структуры. Введение бериллия в меньшем количестве не оказывает необходимого модифицирующего воздействия. Добавление большего количества бериллия в сплав нецелесообразно, поскольку в данном случае потребуется обеспечить специальные меры по организации производства и защите персонала от его негативного воздействия. По причине очень низкой растворимости бериллия в α-фазе титана введение в сплав бериллия в большем количестве приводит к образованию большого количества частиц интерметаллидов, приводящих к охрупчиванию сплава и снижению его технологичности.
Примеры осуществления
Предлагаемый сплав и сплав-прототип в виде слитков выплавляли методом тройного вакуумно-дугового переплава. Затем слитки подвергали деформационной обработке путем осадки и всесторонней ковки в квазиизотермических условиях на сутунки. Полученные сутунки были подготовлены под прокатку путем строгания по всем поверхностям. После прокатки и резки на полосы они были осажены в квазиизотермических условиях на профилированные заготовки, которые подвергались окончательной термической обработке и испытаниям.
В таблице 1 приведен химический состав выплавленных слитков.
Далее определяли следующие характеристики полученных полуфабрикатов:
- предел прочности и относительное удлинение образцов при температуре 20°С определяли путем проведения испытаний на растяжение по ГОСТ 1497;
- предел прочности и относительное удлинение образцов при температуре 600°С определяли путем проведения испытаний на растяжение по ГОСТ 9651.
В таблице 2 приведены механические свойства предлагаемого сплава и сплава-прототипа.
Как видно из таблицы 2, в предлагаемом сплаве по сравнению со сплавом-прототипом повысился уровень предела прочности при температуре 20°С на 4,0-7,5% и при 600°С на 8,5-11,5% при сохранении пластичности при 20°С на удовлетворительном уровне.
Предлагаемый сплав может быть применен в качестве жаропрочного материала для изготовления деталей (лопаток и дисков) компрессора авиационных газотурбинных двигателей, а также деталей турбин энергетического машиностроения. Изобретение позволит повысить ресурс деталей и весовую эффективность двигателей ГТД за счет более высокого по сравнению с аналогами уровня прочности при рабочей температуре до 600°С.
1. Сплав на основе титана, содержащий алюминий, молибден, олово, цирконий, железо, ниобий и кремний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит тантал, вольфрам и бериллий при следующем соотношении компонентов, мас. %:
| алюминий | 6,0-8,0 |
| молибден | 0,4-1,3 |
| олово | 1,5-3,5 |
| цирконий | 1,0-5,0 |
| железо | 0,05-0,4 |
| ниобий | 0,4-1,4 |
| кремний | 0,1-0,4 |
| тантал | 0,2-1,0 |
| вольфрам | 0,3-1,3 |
| бериллий | 0,01-0,15 |
| титан | остальное |
2. Изделие, выполненное из сплава на основе титана, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п. 1.
