Высокотемпературный гафнийсодержащий сплав на основе титана
Владельцы патента RU 2675063:
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (RU)
Акционерное общество "Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика А.А. Бочвара" (RU)
Изобретение относится к области металлургии титановых сплавов и может быть использовано для деталей и узлов ракетных и авиационных двигателей, работающих под высокими нагрузками при температурах до 1000°С, в частности для высокотемпературных изделий газотурбинных двигателей (ГТД). Высокотемпературный гафнийсодержащий сплав на основе титана содержит, мас.%: тантал 16-25, гафний 7-15, хром 3-6,5, цирконий 0,01-0,05, углерод 0,01-0,05, кислород 0,03-0,01, азот 0,008-0,02, водород ≤ 0,005, титан - остальное. Сплав получен методом электронно-лучевой плавки. Сплав имеет высокое значение предела прочности σв до 1200 МПа при температурах до 1000°С, обеспечивается надежность работы титановых изделий. 1 табл.
Изобретение относится к области металлургии титановых сплавов и может быть использовано для деталей и узлов ракетных и авиационных двигателей, работающих под высокими нагрузками при температурах до 1000°С, в частности для высокотемпературных изделий газотурбинных двигателей (ГТД).
Известен жаропрочный и жаростойкий титановый сплав (патент RU 2471879, МПК С22С 14/00), содержащий алюминий, цирконий, вольфрам, гафний, титан, дополнительно делегирован танталом при следующем соотношении компонентов, масс. %:
| Алюминий | 6,0-7,5; |
| Цирконий | 3,0-5,0; |
| Вольфрам | 6,0-7,5; |
| Гафний | 2,5-4,0; |
| Тантал | 2,5-4,0; |
| Титан | остальное |
Однако недостатком этого сплава является то, что он может быть использован для изготовления деталей узлов ракетных двигателей, работающих в условиях высоких нагрузок при температурах до 800°С и не выше.
Наиболее близким является сплав на основе титана, (патент RU 2346998, МПК С22С 14/00, опубл.), содержащий алюминий, молибден, ванадий, хром, железо, цирконий, медь, никель, кислород, углерод, азот, водород, остальное титан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит гафний при следующем соотношении компонентов, масс. %:
| алюминий | 4,3-6,0 |
| молибден | 4,0-5,6 |
| ванадий | 4,0-5,6 |
| хром | 0,5-1,5 |
| железо | 0,5-1,5 |
| цирконий | 0,03-0,5 |
| медь | 0,003-0,15 |
| никель | 0,003-0,15 |
| кислород | 0,02-0,2 |
| углерод | 0,01-0,1 |
| азот | 0,01-0,05 |
| водород | 0,003-0,015 |
| гафний | 0,03-0,5 |
| титан | остальное. |
Недостатками этого сплава являются недостаточная жаропрочность, что обусловлено незначительным содержанием гафния. Сплав легирован молибденом и ванадием, ухудшающих технологичность сплава.
Кроме того, изделия, изготовленные из этого сплава, проявляют эффект сверхпластичности в диапазоне 750-800°С, а при температурах выше указанных, теряют свойства жаростойкости и жаропрочности.
Задачей является разработка жаропрочного, жаростойкого с высокой стойкостью к окислению на воздухе сплава на основе титана, обладающего повышенной способностью к деформированию при многосторонней горячей осадке и холодной прокатке, а также достижение возможности термического упрочнения на высокий уровень прочности (σв до 1200 МПа) и структурной стабильности при температурах до 1000°С.
Технический результат заключается в обеспечении надежности работы титановых изделий, а также высокого значения предела прочности (σв до 1200 МПа) при температурах до 1000°С.
Технический результат достигается в высокотемпературном гафнийсодержащем сплаве на основе титана, содержащем гафний, хром, цирконий, кислород, углерод, водород, азот, причем он дополнительно содержит тантал, при следующем соотношении компонентов, масс. %:
| Тантал | - 16-25 |
| Гафний | - 7-15 |
| Хром | - 3-6,5 |
| Цирконий | - 0,01-0,05 |
| Углерод | - 0,01-0,05 |
| Кислород | - 0,03-0,01 |
| Азот | - 0,008-0,02 |
| Водород | ≤0,005 |
Титан - остальное, при этом он получен методом электронно-лучевого переплава.
Поставленная задача решается тем, что предлагаемый сплав содержит тантал, гафний и повышенное содержание хрома, повышающих температуру рекристаллизации титана.
Гафний, также как цирконий, повышает термическую стабильность структуры сплава, увеличивает предел ползучести, прочность при низких и средних температурах, понижает склонность к хладноломкости и улучшает свариваемость сплавов на основе титана. В жидком и твердом состояниях гафний и титан образуют непрерывные ряды твердых растворов. Кроме этого гафний (с небольшим количеством циркония (Zr)) является «нейтральным» упрочнителем твердого раствора на основе титана, действуя по механизму твердорастворного упрочнения, и проявляет себя как элемент, связывающий углерод, с образованием дисперсной второй фазы и препятствующий образованию карбидов и карбонитридов титана, оставляя его в твердом растворе. Карбидная фаза повышает прочность сплава на основе титана в экстремальных условиях за счет дисперсионного упрочнения. Эффект упрочнения определяется количеством упрочняющей фазы и изменяется в зависимости от температуры. Сплав на основе титана с 7-15 масс. % гафния обладает высокой жаростойкостью, близкой к чистому гафнию.
Тантал образует с титаном непрерывные ряды твердых растворов в жидком и твердом состояниях. Тантал в сочетании с гафнием повышает рабочую температуру титанового сплава. Тантал имеет ограниченную растворимость с титаном в его α-модификации.
Хром имеет ограниченную растворимость как в так и в β-модификациях титана. Легирование титана хромом позволило повысить относительное удлинение при сверхпластичном течении сплава на основе титана почти в два раза. При содержании хрома выше предела растворимости, он образует с титаном интерметаллические соединения.
Из-за высокой структурной чувствительности механических свойств к составу сплавов на основе титана одним из эффективных путей увеличения различных служебных характеристик этих сплавов является выбор основных легирующих элементов и их соотношение, которые влияют на термическую стабильность их структуры при повышенных температурах эксплуатации, фазовый состав и микроструктуру сплавов на основе титана. Прочность титановых сплавов определяется эффектом упрочнения от каждого легирующего элемента.
Легирующие добавки, образующие с металлом-основой твердые растворы замещения, могут на сотни градусов повысить температуру начала рекристаллизации, что повысит температуру эксплуатации изделий, изготовленных из заявленного сплава
Газовые примесные элементы повышают прочность титана. Сплавы, содержащие ≥0,05% азота, не имеют практического применения. При содержании в сплаве на основе титана кислорода <0,5% пластичность титана не ухудшает, однако в титановых сплавах, кислород следует рассматривать как вредную примесь. Углерод относится к слабым упрочнителям, но при содержании его в сплаве >0,2% появляется хрупкая карбидная фаза в виде TiC.. Для повышения технологической деформируемости сплавов на основе титана количество в нем металлических и газовых примесей должно быть не более 3 масс. %.
Для исследования свойств сплава был выплавлен в электронно-лучевой печи методом двойного переплава слиток заявленного состава, в котором химическим анализом стружки, взятой с боковой и торцевых поверхностей слитка, определен плавочный состав, масс. %: соотношении компонентов, масс. %:
| Тантал | - 16-25 |
| Гафний | - 7-15 |
| Хром | - 3-6,5 |
| Цирконий | - 0,01-0,05 |
| Углерод | - 0,01-0,05 |
| Кислород | - 0,03-0,01 |
| Азот | - 0,008-0,02 |
| Водород | ≤ 0,005 |
| Титан | - Остальное. |
Механические и свойства и сопротивление высокотемпературному окислению определяли на пластинах толщиной 2,0 мм, изготовленных горячей и холодной обработкой давлением слитка сплава предложенного состава на основе титана и полуфабриката и подвергнутых финишной термической обработке при температуре 1000°С после холодной деформации листового материала со степенью обжатия.
Использование заявленного сплава обеспечивает возможность достижения высокой прочности (до 1200 Мпа), термическую стабильность структуры при циклических испытаниях на воздухе при температуре до 1000°С. Высокопрочный гафнийсодержащий сплав на основе титана разработан применительно для высокотемпературных изделий газотурбинных двигателей (ГТД), работающих при высокой температуре в вакууме или окислительной атмосфере.
При кратковременных механических испытаниях разрывного образца при температуре 1000°С и скорости деформирования 1 мм/мин проявилась сверхпластичность, при этом поверхность приобрела незначительный желтый оттенок за счет образования на поверхности окисной пленки сложного состава. Тантал и гафний обеспечили высокую жаропрочность и жаростойкость сплава на основе титана. Сверхпластичность сплава обеспечивается благодаря малому размеру зерна, высокой плотности дефектов кристаллической решетки и образованию двухфазной структуры.
Таким образом, заявленный сплав обладает высокой способностью к деформированию при горячей и холодной обработке давлением, жаропрочностью, жаростойкостью и структурной стабильностью.
Высокотемпературный гафнийсодержащий сплав на основе титана, содержащий гафний, хром, цирконий, кислород, углерод, азот, водород, отличающийся тем, что он дополнительно содержит тантал, при следующем соотношении компонентов, масс. %:
| Тантал | 16-25 |
| Гафний | 7-15 |
| Хром | 3-6,5 |
| Цирконий | 0,01-0,05 |
| Углерод | 0,01-0,05 |
| Кислород | 0,01-0,03 |
| Азот | 0,008-0,02 |
| Водород | ≤0,005 |
| Титан | Остальное |
при этом он получен методом электронно-лучевого переплава.
