Деформируемый высокоэнтропийный сплав для высокотемпературных применений

Изобретение относится к области металлургии, а именно к деформируемым высокоэнтропийным сплавам, и может быть использовано для производства конструкций, работающих в условиях высоких температур в газотурбинных двигателях. Деформируемый высокоэнтропийный сплав TiaNbbCrcVd имеет следующее соотношение компонентов, ат.%: титан (a) - 42,7, ниобий (b) - 23,0, хром (c) - 22,1, ванадий (d) – 12,2. Сплав имеет высокий удельный предел текучести более 150 кПа⋅м3/кг при Т = 700°С, плотность менее 6,5 г/см3, а также обладает высокой пластичностью не менее 50% при комнатной температуре и способностью к деформационной обработке холодной прокаткой. 4 ил., 1 пр.

 

Изобретение относится к области металлургии сплавов, а именно высокоэнтропийных сплавов, которые могут быть использованы для производства конструкций, работающих в условиях высоких температур в газотурбинных двигателях.

В настоящее время в авиационном и ракетно-космическом двигателестроении наиболее широко применяются суперсплавы на основе никеля, специальные стали и титановые сплавы. Однако стали и суперсплавы имеют достаточно высокую плотность более 8-8,5 г/см3, а возможности улучшения их свойств за счет легирования практически исчерпаны. Использование титановых сплавов, как материалов с высокой удельной прочностью, имеет один существенный недостаток - максимальная температура эксплуатации титановых сплавов ограничена 600°С. В связи с этим, возникает потребность в разработке сплавов, обладающих одновременно низкой плотностью и высокой прочностью при температурах свыше 600°С.

Перспективными материалами, которые могут обладать таким комплексом свойств, являются так называемые высокоэнтропийные сплавы (ВЭСы). Высокоэнтропийные сплавы представляют собой многокомпонентные системы, состоящие из 4-5 основных элементов, взятых в приблизительно равных атомных долях. Многочисленные исследования показали, что высокоэнтропийные сплавы могут демонстрировать чрезвычайно привлекательные свойства в условиях высоких температур.

Известен высокоэнтропийный сплав TiVNbZr0,5Al0,25Ta0,1 (патент RU № 2526657 C1, публ. 27.08.2014). Данный сплав обладает низкой плотностью примерно 6,5 г/см3, и достаточной пластичностью порядка 12% при комнатной температуре.

Недостатками данного сплава являются низкий удельный предел текучести при повышенных температурах не более 100 кПа∙м3/кг при Т = 700°С, а также высокая стоимость одного из компонентов - тантала.

Известен высокоэнтропийный сплав AlNbTiVZr0,1 (патент RU № 2631066 С1, публ. 18.09.2017). Данный сплав имеет достаточно низкую плотность 5,52 г/см3 и высокую удельную прочность 166 кПа*м3/кг при Т = 800°С.

Недостатком данного сплава является низкая пластичность при комнатной температуре, около 3%.

Известен высокоэнтропийный сплав Ti1.5AlNbCrV (патент CN108300926 (A), публ. 20.07.2018). Данный сплав имеет низкую плотность 5,62-5,65 г/см3, высокую твердость около 620 HV и достаточно высокую прочность 667 МПа при Т = 850°С.

Недостатком данного сплава является низкая пластичность при комнатной температуре, около 1%.

Известен другой высокоэнтропийный сплав - AlCrNbTiV (Stepanov N.D., Yurchenko N.Y., Skibin D.V., Tikhonovsky M.A., Salishchev G.A. Structure and mechanical properties of the AlCrxNbTiV (x = 0, 0.5, 1, 1.5) high entropy alloys // Journal of Alloys and Compounds. – 2015. – Vol. 652, – Pp. 266 – 280). Данный сплав обладает относительно низкой плотностью 5,82 г/см3 и высокой удельной прочностью 148 кПа*м3/кг при Т = 800°С.

Недостатком данного сплава является крайне низкая пластичность не более 2,5 % при Т < 800°C.

Наиболее близким аналогом, выбранным за прототип, является высокоэнтропийный сплав Al0.5CrNbTi2V0.5 (Stepanov N.D., Yurchenko N.Yu., Panina E.S., Tikhonovsky M.A., Zherebtsov S.V. Precipitation-strengthened refractory Al0.5CrNbTi2V0.5 high entropy alloy // Materials Letters. – 2017. – V.188. – Pp. 162-164). Данный сплав содержит 11,7 ат.% Al, 19,6 ат.% Cr, 20,2 ат.% Nb, 39,5 ат.% Ti и 9,0 ат.% V. Сплав обладает относительно низкой плотностью 5,76 г/см3 и высокой пластичностью при комнатной температуре в литом состоянии.

Недостатками данного сплава являются низкие прочностные свойства при Т > 600°С, а также заметное снижение пластичности при комнатной температуре после гомогенизации вследствие выделения частиц фазы Лавеса.

Технической задачей изобретения является создание высокоэнтропийного сплава с высокими удельными прочностными характеристиками при повышенных температурах, обладающего относительно низкой плотностью и высокой технологической пластичностью, а именно – возможностью обработки пластической деформацией при комнатной температуре.

Технический результат – высокие удельные прочностные характеристики предложенного сплава более 150 кПа*м3/кг при Т = 700°С с плотностью менее 6,5 г/см3, высокой пластичностью не менее 50% при комнатной температуре и способностью к деформационной обработке холодной прокаткой.

Технический результат достигается путем предложенного высокоэнтропийного сплава TiaNbbCrcVd при следующем содержании компонентов (ат.%):

титан (a) 42,7
ниобий (b) 23,0
хром (c) 22,1
ванадий (d) 12,2

Детальное исследование структуры сплава-прототипа Al0,5CrNbTi2V0,5 с помощью просвечивающей электронной микроскопии показало, что матричная фаза является упорядоченной по типу В2. В недавней работе (Yurchenko N.Y., Stepanov N.D., Zherebtsov S.V., Tikhonovsky M.A., Salishchev G.A. Structure and mechanical properties of B2 ordered refractory AlNbTiVZrx (x = 0-1.5) high-entropy alloys // Materials Science and Engineering A. – 2017. – V. 704, – Pp. 82-90) было установлено, что причиной упорядочения матричной фазы является алюминий. Обнаружено, что отказ от использования алюминия в качестве легирующего элемента сплава-прототипа Al0,5CrNbTi2V0,5 и пропорциональное увеличение содержания остальных элементов в предложенном сплаве TiaNbbCrcVd, а именно титана (a) до 42,7 ат.%, ниобия (b) до 23,0 ат.%, хрома (c) 22,1 ат.% и ванадия (d) до 12,2 ат.%, позволяет получить однофазную неупорядоченную структуру на основе ОЦК решетки, что положительно влияет на повышение пластических характеристик, в том числе появляется возможность для деформационной обработки холодной прокаткой. При этом сохраняется высокая удельная прочность более 150 кПа*м3/кг при температурах вплоть до 700°С.

Изобретение характеризуется изображениями, представленными на фигурах:

фиг. 1. Микроструктура сплава Ti42,7Nb23,0Cr22,1V12,2, полученная с использованием растрового электронного микроскопа Quanta 600 FEG;

фиг. 2. Микроструктура сплава Ti42,7Nb23,0Cr22,1V12,2, полученная с использованием просвечивающего электронного микроскопа JEOL JEM-2100;

фиг. 3. Таблица 1. Химический состав и плотность предлагаемого сплава в сравнении с известным сплавом и прототипом;

фиг. 4. Таблица 2. Механические свойства предлагаемого сплава в сравнении с известным сплавом и прототипом.

Примеры осуществления изобретения

Сплав по изобретению Ti42,7Nb23,0Cr22,1V12,2 был изготовлен методом вакуумно-дугового переплава.

Сплавление высокочистых (≥99,9 ат.%) шихтовых материалов, взятых в концентрациях Ti (42,7 ат.%), Nb (23,0 ат.%), Cr (22,1 ат.%), V (12,2 ат.%), осуществляли в среде аргона в водоохлаждаемой медной изложнице. Время поддержания расплава в жидком состоянии - не более 20 секунд. Полученные слитки переплавляли 5 раз для получения однородного распределения элементов по объему.

Дополнительно, слитки подвергали отжигу при температуре 1200°С в течение 24 часов в муфельной печи для гомогенизации структуры. Для предотвращения окисления сплава в процессе отжига слитки предварительно запаивали в кварцевую трубку с давлением ~1,3 Па.

Полученные слитки весом 0,1 кг имели чистую, блестящую поверхность. Проведенный химический анализ слитков показал их гомогенность по основным элементам и соответствие химического состава сплавов заданному.

Из слитков электроэрозионным методом были вырезаны образцы. При производстве образцов сплавы демонстрировали высокую обрабатываемость. При этом при резании в материале отсутствовали макродефекты структуры в виде раковин, трещин, пор.

Полученные образцы сплавов были использованы для определения механических свойств на одноосное сжатие, микроструктурных исследований, а также измерения плотности. Механические испытания на сжатие сплава проводили согласно ГОСТ 8817-82 «Металлы. Метод испытания на осадку». Для испытания были использованы образцы размером 6×4×4 мм3. Деформацию осуществляли по схеме одноосного сжатия c помощью универсальной гидравлической испытательной машины для статических испытаний Instron 300LX при температурах 22°С, 600°С, 700°С и скорости деформации 10-4с-1. Микроструктура образцов изучалась с помощью сканирующего электронного микроскопа Quanta 600 и просвечивающего электронного микроскопа JEOL JEM-2100, оснащенных приставками для энергодисперсионного анализа. Плотность сплава измерялась методом гидростатического взвешивания. В качестве жидкости использовалась дистиллированная вода. Измерения проводились для 3-х образцов размером 6×4×4 мм3.

Проведенные структурные исследования показали, что сплав по изобретению Ti42,7Nb23,0Cr22,1V12,2 обладает однофазной зеренной структурой на основе ОЦК решетки (фиг. 1 и фиг. 2).

Сравнение механических свойств полученного сплава Ti42,7Nb23,0Cr22,1V12,2 с известным сплавом AlCrNbTiV и прототипом Al0,5CrNbTi2V0,5 (таблица 1 на фиг. 3 и таблица 2 на фиг. 4) показало, что он обладает несколько повышенной плотностью 6,16 г/см3 и более низким удельным пределом текучести (отношением предела текучести к плотности) 216 кПа∙м3/кг при комнатной температуре, но более высокой пластичностью не менее 50% при сжатии при комнатной температуре, а также более высоким удельным пределом текучести 180 кПа∙м3/кг при Т = 600°. Высокий более 150 кПа∙м3/кг удельный предел текучести предложенного сплава сохраняется вплоть до Т = 700°С.

Кроме того, полученный сплав был подвергнут деформационной обработке – прокатке при комнатной температуре на двухвалковом стане до 93% относительной деформации. Степень обжатия заготовки (8×10×20 мм3) при каждом проходе составляла 0,07-0,15 мм; направление прокатки не изменялось. Для оценки механических свойств были проведены механические испытания на растяжение прокатанных образцов сплава в соответствии с ГОСТ 11701–84 «Методы испытаний на растяжение тонких листов и лент». Испытания проводили на пропорциональных плоских образцах с длиной рабочей части 6 мм и размерами поперечного сечения 0,5×3 мм. Деформация образцов осуществлялась по схеме одноосного растяжения на универсальной испытательной машине Instron–5882 при температуре 22°С и скорости деформации 10–4 с–1. Для определения относительного удлинения δ на поверхность образцов алмазной иглой наносили тонкие поперечные риски. Расстояние между ними измеряли до и после испытания на инструментальном микроскопе Olympus STM 6. Погрешность измерения составляла 0,5%. После прокатки сплав при испытании на растяжение при комнатной температуре демонстрирует предел текучести 960 МПа и предел прочности 1785 МПа при удлинении до разрушения 3,8%.

Таким образом, заявленный технический результат - высокий удельный предел текучести предложенного сплава более 150 кПа*м3/кг при Т = 700°С с плотностью менее 6,5 г/см3, высокой пластичностью не менее 50% при комнатной температуре и способностью к деформационной обработке холодной прокаткой, достигнут.


Деформируемый высокоэнтропийный сплав TiaNbbCrcVd, отличающийся тем, что он имеет следующее соотношение компонентов, ат.%: титан (a) - 42,7, ниобий (b) - 23,0, хром (c) - 22,1, ванадий (d) – 12,2.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к металлургии, в частности к жаропрочным сплавам аустенитного класса с интерметаллидным упрочнением, и может найти применение в производстве реакционных труб для агрегатов аммиака и метанола с рабочими температурами 850-950°С и давлением 2,5-5 МПа и нефтегазоперерабатывающих установок с режимами эксплуатации от 1000 до 1160°С и давлением до 0,7 МПа.

Изобретение относится к металлургии, в частности к коррозионно-стойким жаропрочным сплавам на основе никеля для деталей горячего тракта газотурбинных двигателей и установок, длительно работающих в агрессивных средах при температурах 800-1000°С.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сварочному материалу на основе никеля, и может быть использовано при сварке жаропрочных сплавов на основе никеля и кобальта.

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).

Изобретение относится к металлургии, а именно к коррозионно-стойким жаропрочным сплавам для деталей горячего тракта газотурбинных двигателей и установок, работающих в агрессивных средах до 750-1000°С.

Группа изобретений относится к геттерному устройству для сорбции водорода и монооксида углерода. Геттерное устройство содержит композицию порошков неиспаряемого геттерного сплава, которая содержит цирконий, ванадий, титан и алюминий.

Сплав // 2663950
Изобретение относится к области металлургии и касается составов сплавов, которые могут быть использованы для изготовления деталей песчаных насосов, мельниц. Сплав включает, мас.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сварному соединению. Сварное соединение, полученное путем сварки в несколько проходов основного материала с использованием сварочного материала, характеризующееся тем, что сварочный материал имеет химический состав, в мас.%: C от 0,01 до 0,15, Si до 4,0, Mn от 0,01 до 3,5, P до 0,03, S до 0,015, Cr от 15,0 до 35,0, Ni от 40,0 до 70,0, Cu от 0,01 до 4,0, N от 0,005 до 0,1, O до 0,03, железо и примеси - остальное, а основной материал, имеющий химический состав, в мас.%: C от 0,03 до 0,075, Si от 0,6 до 2,0, Mn от 0,05 до 2,5, P до 0,04, S до 0,015, Cr больше 16,0 и менее 23,0, Ni от 20,0 до менее 30,0, Cu от 0,5 до 10,0, Mo до менее 1, Al до 0,15, N от 0,005 до 0,20, O до 0,02, железо и примеси – остальное.

Изобретение относится к области металлургии и касается составов сплавов, которые могут быть использованы для изготовления колосников, охлаждающих рам печей, дистанционных гребенок паровых котлов, зубьев и гребков колчеданных печей.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к легкообрабатываемым, высокопрочным сплавам, которые могут быть использованы для изготовления деталей газотурбинных двигателей.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к титановому α-β сплаву, характеризующемуся высокой обрабатываемостью резанием. Титановый α-β сплав содержит, мас.%: Cu 0,1-2,0, Ni 0,1-2,0, Al 2,0-8,5, C 0,08-0,25, Cr 0-4,5 и/или Fe 0-2,5 при их суммарном содержании 1,0-7,0, Ti и неизбежные примеси – остальное.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам получения изделий из титанового сплава. Способ получения изделия из титанового сплава включает плавление шихтовых материалов с источником водорода, содержащим гидрид титана, с образованием расплава титанового сплава, разливку по меньшей мере части расплава с образованием гидрогенизированного слитка титанового сплава, деформирование гидрогенизированного слитка при температуре сначала в области β-фазы, а затем в области α+β+δ-фаз с образованием обработанного изделия, имеющего меньшую площадь поперечного сечения, чем площадь поперечного сечения гидрогенизированного слитка, и дегидрогенизацию обработанного изделия для снижения содержания водорода в обработанном изделии.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при производстве титана, легированного углеродными нанотрубками при камерном электрошлаковом переплаве (КЭШП) расходуемого электрода.

Изобретение относится к металлургии, а именно к области ультразвуковых технологических систем различного назначения, и может быть использовано для создания ультразвуковых электродов, обладающих высоким ресурсом работы.

Изобретение относится к металлургии, а именно Сплав на основе титана для изготовления волноводов высокоамплитудных акустических систем. Сплав на основе титана для изготовления волноводов высокоамплитудных акустических систем, содержит, мас.%: алюминий 5,8-8,0, молибден 2,8-3,8, цирконий 2,1-3,0, кремний 0,20-0,40, железо ≤0,3, кислород ≤0,15, углерод ≤0,1, водород ≤0,015, азот ≤0,05, титан - остальное, при этом он имеет равномерную, мелкодисперсную микроструктуру с размером зерна (0,5-5,0) мкм, содержащую равноосную α-фазу в количестве (40-80)% в трансформированной β-матрице без непрерывной сетки α-фазы на границах β зерен.

Изобретение относится к металлургии, а именно к ультразвуковым технологическим системам, и может быть использовано для создания ультразвуковых электродов, обладающих высоким ресурсом работы.

Настоящее изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к шихте для получения износостойкого материала методом СВС, включающей порошок титана, углеродсодержащий компонент - сажу, порошок меди, причем компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%: 54-67 порошок титана, 9-13 сажа, 20-37 порошок меди.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к листовым материалам на основе титановых сплавов, которые пригодны для изготовления изделий методом низкотемпературной сверхпластической деформации (СПД) при температуре 775°С, и могут быть использованы как более дешевая альтернатива листовым полуфабрикатам, изготовленным из сплава Ti-6Al-4V.

Группа изобретений относится к металлургии, в частности к сплавам на основе титана, используемым в качестве высокопрочного термически упрочняемого конструкционного материала, промежуточным заготовкам из титановых сплавов для изготовления изделий методом холодной пластической деформации при комнатной температуре, например, деталей крепления, а также способам изготовления таких заготовок.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к титановым сплавам, предназначенным для использования в качестве конструкционного высокопрочного высокотехнологичного материала для изготовления силовых конструкций судостроительной, авиационной и космической техники, энергетических установок, длительно работающих при температурах до 350°С.
Наверх