Стойкие к ползучести титановые сплавы
Изобретение относится к металлургии, а именно к стойким к ползучести тиановым сплавам. Титановый сплав, содержит, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава: от 5,5 до 6,5 алюминия, от 1,5 до 2,5 олова, от 1,3 до 2,3 молибдена, от 0,1 до 10,0 циркония, от 0,01 до 0,30 кремния, от 0,1 до 2,0 германия, титан и примеси, причем титановый сплав содержит интерметаллическое выделение, содержащее цирконий, кремний и германий. Сплав характеризуется повышенным сопротивлением ползучести при высоких температурых. 5 н. и 22 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 табл.
ПРЕДПОСЫЛКИ ТЕХНОЛОГИИ
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение относится к стойким к ползучести титановым сплавам.
ОПИСАНИЕ УРОВНЯ ТЕХНИКИ
[0002] Титановые сплавы обычно проявляют высокую удельную прочность (отношение прочности к массе), являются коррозионно-стойкими и устойчивы к ползучести при умеренно высоких температурах. Например, сплав Ti-5Al-4Mo-4Cr-2Sn-2Zr (также обозначаемый «сплав Ti-17» с регламентированным в UNS R58650 составом) представляет собой промышленный сплав, который широко используется в вариантах применения для реактивных двигателей, требующих сочетания высоких прочности, сопротивления усталости и вязкости разрушения при эксплуатационных температурах до 800°С. Другие примеры титановых сплавов, используемых для высокотемпературных применений, включают сплав Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (с регламентированным в UNS R54620 составом) и сплав Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr (также обозначаемый «Beta-C» с регламентированным в UNS R58640 составом). Однако в этих сплавах существуют пределы сопротивления ползучести при повышенных температурах. Соответственно, появилась потребность в титановых сплавах, имеющих улучшенное сопротивления ползучести при повышенных температурах.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0003] Согласно одному неограничивающему аспекту настоящего изобретения, титановый сплав включает, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава: от 5,5 до 6,5 алюминия; от 1,5 до 2,5 олова; от 1,3 до 2,3 молибдена; от 0,1 до 10,0 циркония; от 0,01 до 0,30 кремния; от 0,1 до 2,0 германия; титан; и примеси.
[0004] Согласно еще одному неограничивающему аспекту настоящего изобретения, титановый сплав состоит по существу из, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава: от 5,5 до 6,5 алюминия; от 1,5 до 2,5 олова; от 1,3 до 2,3 молибдена; от 0,1 до 10,0 циркония; от 0,01 до 0,30 кремния; от 0,1 до 2,0 германия; титана; и примесей.
[0005] Согласно еще одному неограничивающему аспекту настоящего изобретения, титановый сплав включает, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава: от 2 до 7 алюминия; от 0 до 5 олова; от 0 до 5 молибдена; от 0,1 до 10,0 циркония; от 0,01 до 0,30 кремния; от 0,05 до 2,0 германия; от 0 до 0,30 кислорода; от 0 до 0,30 железа; от 0 до 0,05 азота; от 0 до 0,05 углерода; от 0 до 0,015 водорода; титан; и примеси.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0006] Признаки и преимущества описываемых здесь сплавов, изделий и способов могут быть лучше понятны при обращении к сопроводительным чертежам, на которых:
[0007] ФИГ. 1 представляет график, на который нанесена деформация ползучести в зависимости от времени для некоторых неограничивающих вариантов титановых сплавов согласно настоящему изобретению в сравнении с некоторыми традиционными титановыми сплавами.
[0008] ФИГ. 2 включает микрофотографию неограничивающего варианта титанового сплава согласно настоящему изобретению и график, показывающий результаты сканирования методом энергодисперсионной рентгеновской спектрометрии (XRD) сплава перед воздействием длительной нагрузки.
[0009] ФИГ. 3 включает микрофотографию титанового сплава по ФИГ. 2 и график, показывающий результаты XRD-сканирования сплава и выделение Zr/Si/Ge в виде интерметаллической выделившейся частицы после того, как сплав был нагрет при 900°F в течение 125 часов по воздействием длительной нагрузки 52 ksi; и
[0010] ФИГ. 4 показывает карты распределения элементов для титанового сплава по ФИГ. 3.
[0011] Читателю будут понятны вышеуказанные подробности, а также прочие детали, по прочтении нижеследующего подробного описания некоторых неограничивающих вариантов осуществления согласно настоящему изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ НЕКОТОРЫХ НЕОГРАНИЧИВАЮЩИХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[0012] В настоящем описании неограничивающих вариантов осуществления, кроме рабочих примеров или тех мест, где оговорено иное, все числа, выражающие количества или характеристики, следует понимать как модифицированные во всех случаях термином «примерно». Соответственно, если не оговорено иное, любые численные параметры, изложенные в следующем описании, являются приближенными величинами, которые могут варьировать в зависимости от желательных свойств, каковые стремятся получить в материалах и способами согласно настоящему изобретению. По крайней мере, и не в качестве попытки ограничить применимость доктрины эквивалентов к объему формулы изобретения, каждый численный параметр следует по меньшей мере толковать в свете числа приведенных значащих цифр и с применением обычных методов округления. Все описываемые здесь диапазоны включают указанные конечные точки, если не оговорено иное.
[0013] Любые патент, публикация или иной материал раскрытия, которые указаны как включенные, целиком или частично, сюда по ссылке, включены сюда по ссылке только в той степени, в которой включенный материал не противоречит существующим определениям, указаниям или иному материалу раскрытия, изложенному в настоящем изобретении. Как таковое, и в необходимой мере, изложенное здесь раскрытие заменяет собой любой противоречащий материал, включенный сюда по ссылке. Любой материал или его часть, который указан как включенный сюда по ссылке, но который противоречит существующим определениям, формулировкам или иному материалу изложенного здесь раскрытия, включен только в той степени, в которой не возникает противоречие между этим включенным материалом и существующим материалом раскрытия.
[0014] Ссылка здесь на титановый сплав, «включающий» конкретный состав, предполагается охватывающей сплавы, «состоящие по существу из» или «состоящие из» указанного состава. Будет понятно, что описанные здесь составы титановых сплавов, «включающие», «содержащие», «состоящие из» или «состоящие по существу из» конкретного состава, также могут включать примеси.
[0015] Изделия и детали в высокотемпературных средах могут проявлять ползучесть. Применяемый здесь термин «высокая температура» подразумевает температуры, превышающие примерно 200°F. Ползучесть представляет собой зависящую от времени деформацию, возникающую при напряжении. Ползучесть, происходящая при снижающейся скорости деформации, называется первичной ползучестью; ползучесть, происходящая при минимальной и почти постоянной скорости деформации, называется вторичной (установившейся) ползучестью; а ползучесть, происходящая при возрастающей скорости деформации, называется третичной ползучестью. Предел ползучести представляет собой напряжение, которое будет вызывать данную деформацию ползучести в испытании ползучести в данное время в заданной постоянной среде.
[0016] Характеристики сопротивления ползучести титана и титановых сплавов при высокой температуре и под воздействием длительной нагрузки зависят главным образом от микроструктурных признаков. Титан имеет две аллотропные модификации: бета(«β»)-фаза, которая имеет объемно-центрированную кубическую (ОЦК) кристаллическую структуру, и альфа(«α»)-фазу, которая имеет гексагональную плотноупакованную (ГПУ) кристаллическую структуру. Как правило, β-титановые сплавы проявляют плохое сопротивление ползучести при повышенной температуре. Плохое сопротивление ползучести при повышенной температуре является результатом значительной концентрации β-фазы, которую эти сплавы проявляют при повышенных температурах, например, таких как 900°F. β-Фаза не обладает хорошим сопротивлением ползучести вследствие ее объемно-центрированной кубической структуры, которая обеспечивает большое число деформационных механизмов. В результате этих недостатков применение β-титановых сплавов было ограничено.
[0017] Одной группой титановых сплавов, широко используемых во множестве разнообразных применений, являются α/β-титановые сплавы. В α/β-титановых сплавах распределение и размер первичных α-частиц могут непосредственно влиять на сопротивление ползучести. Согласно различным опубликованным сообщениям об исследованиях α/β-титановых сплавов, содержащих кремний, образование выделившихся силицидов на границах зерен может дополнительно улучшать сопротивление ползучести, но ухудшает пластичность при растяжении при комнатной температуре. Снижение пластичности при растяжении при комнатной температуре, которое происходит с добавкой кремния, ограничивает концентрацию кремния, который может быть добавлен, до 0,3% (по массе).
[0018] Настоящее изобретение отчасти направлено на сплавы, которые устраняют некоторые из ограничений, связанных с традиционными титановыми сплавами. Один вариант титанового сплава согласно настоящему изобретению включает (т.е. содержит), в массовых процентах в расчете на общую массу сплава: от 5,5 до 6,5 алюминия; от 1,5 до 2,5 олова; от 1,3 до 2,3 молибдена; от 0,1 до 10,0 циркония; от 0,01 до 0,30 кремния; от 0,1 до 2,0 германия; титан; и примеси. Другой вариант титанового сплава согласно настоящему изобретению включает, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава: от 5,5 до 6,5 алюминия; от 1,7 до 2,1 олова; от 1,7 до 2,1 молибдена; от 3,4 до 4,4 циркония; от 0,03 до 0,11 кремния; от 0,1 до 0,4 германия; титан; и примеси. Еще один вариант титанового сплава согласно настоящему изобретению включает, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава: от 5,9 до 6,0 алюминия; от 1,9 до 2,0 олова; от 1,8 до 1,9 молибдена; от 3,7 до 4,0 циркония; от 0,06 до 0,11 кремния; от 0,1 до 0,4 германия; титан; и примеси. В неограничивающих вариантах сплавов согласно данному изобретению случайные элементы и другие примеси в составе сплава могут включать или состоят по существу из одного или более из кислорода, железа, азота, углерода, водорода, ниобия, вольфрама, ванадия, тантала, марганца, никеля, гафния, галлия, сурьмы, кобальта и меди. Некоторые неограничивающие варианты титановых сплавов согласно настоящему изобретению могут включать, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава, от 0,01 до 0,25 кислорода, от 0 до 0,30 железа, от 0,001 до 0,05 азота, от 0,001 до 0,05 углерода, от 0 до 0,015 водорода и от 0 вплоть до 0,1 каждого из ниобия, вольфрама, гафния, никеля, галлия, сурьмы, ванадия, тантала, марганца, кобальта и меди.
[0019] Алюминий может быть включен в состав сплавов согласно настоящему изобретению для повышения содержания альфа-фазы и обеспечения повышенной прочности. В некоторых неограничивающих вариантах согласно настоящему изобретению алюминий может присутствовать в массовых концентрациях, в расчете на общую массу сплава, 2-7%. В некоторых неограничивающих вариантах алюминий может присутствовать в массовых концентрациях, в расчете на общую массу сплава, 5,5-6,5% или, в некоторых вариантах, 5,9-6,0%.
[0020] Олово может быть включено в состав сплавов согласно настоящему изобретению для повышения содержания альфа-фазы и обеспечения повышенной прочности. В некоторых неограничивающих вариантах согласно настоящему изобретению олово может присутствовать в массовых концентрациях, в расчете на общую массу сплава, 0-4%. В некоторых неограничивающих вариантах олово может присутствовать в массовых концентрациях, в расчете на общую массу сплава, 1,5-2,5% или, в некоторых вариантах, 1,7-2,1%.
[0021] Молибден может быть включен в состав сплавов согласно настоящему изобретению для повышения содержания бета-фазы и обеспечения повышенной прочности. В некоторых неограничивающих вариантах согласно настоящему изобретению молибден может присутствовать в массовых концентрациях, в расчете на общую массу сплава, 0-5%. В некоторых неограничивающих вариантах молибден может присутствовать в массовых концентрациях, в расчете на общую массу сплава, 1,3-2,3% или, в некоторых вариантах, 1,7-2,1%.
[0022] Цирконий может быть включен в состав сплавов согласно настоящему изобретению для повышения содержания альфа-фазы, обеспечения повышенной прочности и обеспечения повышенного сопротивления ползучести за счет образования интерметаллического выделения. В некоторых неограничивающих вариантах согласно настоящему изобретению цирконий может присутствовать в массовых концентрациях, в расчете на общую массу сплава, 1-10%. В некоторых неограничивающих вариантах цирконий может присутствовать в массовых концентрациях, в расчете на общую массу сплава, 3,4-4,4% или, в некоторых вариантах, 3,5-4,3%.
[0023] Кремний может быть включен в состав сплавов согласно настоящему изобретению для обеспечения повышенного сопротивления ползучести за счет образования интерметаллического выделения. В некоторых неограничивающих вариантах согласно настоящему изобретению кремний может присутствовать в массовых концентрациях, в расчете на общую массу сплава, 0,01-0,30%. В некоторых неограничивающих вариантах кремний может присутствовать в массовых концентрациях, в расчете на общую массу сплава, 0,03-0,11% или, в некоторых вариантах, 0,06-0,11%.
[0024] Германий может быть включен в состав титановых сплавов в вариантах осуществления настоящего изобретения для улучшения характеристик скорости вторичной ползучести при повышенных температурах. В некоторых неограничивающих вариантах согласно настоящему изобретению германий может присутствовать в массовых концентрациях, в расчете на общую массу сплава, 0,05-2,0%. В некоторых неограничивающих вариантах германий может присутствовать в массовых концентрациях, в расчете на общую массу сплава, 0,1-2,0% или, в некоторых вариантах, 0,1-0,4%. Без намерения вдаваться в какую-либо теорию, представляется, что содержание германия в сплавах в сочетании с подходящей термической обработкой могут способствовать образованию интерметаллического выделения циркония-кремния-германия. Добавки германия могут быть, например, в виде чистого металла или лигатуры из германия и одного или более других подходящих металлических элементов. Пригодными примерами лигатур могут быть Si-Ge и Al-Ge. Некоторые лигатуры могут быть в виде порошка, гранул, проволоки, размолотой стружки или листа. Описываемые здесь титановые сплавы в этом отношении не ограничены. После конечной плавки для достижения практически однородной смеси титана и легирующих элементов отлитый слиток может быть подвергнут термомеханической обработке посредством одного или более этапов ковки, прокатки, прессования (выдавливанием), волочения, вытяжки, обжимки, осадки и отжига для достижения желательной микроструктуры. Должно быть понятно, что сплавы по настоящему изобретению могут быть подвергнуты термомеханической обработке и/или обработаны другими подходящими способами.
[0025] Неограничивающий вариант осуществления способа получения титанового сплава согласно настоящему изобретению включает термическую обработку отжигом, термообработку на твердый раствор и отжиг, термообработку на твердый раствор и старение (STA), прямое старение или комбинацию циклов термообработки до получения желательного баланса механических свойств. Используемый здесь процесс «термообработки на твердый раствор и старения (STA)» относится к применяемому к титановым сплавам процессу термической обработки, который включает термообработку на твердый раствор титанового сплава при температуре термообработки на твердый раствор ниже температуры β-превращения титанового сплава. В неограничивающем варианте температура термообработки на твердый раствор находится в температурном диапазоне от примерно 1780°F до примерно 1800°F. Подвергнутый термообработке на твердый раствор титановый сплав затем состаривают нагреванием сплава в течение периода времени до диапазона температур старения, который является меньшим, чем температура β-превращения, и меньшим, чем температура термообработки на твердый раствор титанового сплава. Используемые здесь термины, такие как «нагретый до» или «нагревание до» и т.д. со ссылкой на температуру, температурный диапазон или минимальную температуру, означают, что сплав нагревают до тех пор, пока по меньшей мере желательная часть сплава не будет иметь температуру, по меньшей мере равную указанной или минимальной температуре, или в пределах указанного температурного диапазона на всем протяжении этой части. В одном неограничивающем варианте продолжительность термообработки на твердый раствор составляет в диапазоне от примерно 30 минут до примерно 4 часов. Признано, что в некоторых неограничивающих вариантах продолжительность термообработки на твердый раствор может быть короче, чем 30 минут, или дольше, чем 4 часа, и в общем зависит от размера и сечения титанового сплава. По завершении термообработки на твердый раствор титановый сплав охлаждают до температуры окружающей среды со скоростью, зависящей от толщины сечения титанового сплава.
[0026] Подвергнутый термообработке на твердый раствор титановый сплав затем состаривают при температуре старения, также называемой здесь «температурой дисперсионного твердения», которая находится в двухфазной области α+β ниже температуры β-превращения титанового сплава. В неограничивающем варианте температура старения находится в температурном диапазоне от примерно 1075°F до примерно 1125°F. В некоторых неограничивающих вариантах длительность старения может составлять в диапазоне от примерно 30 минут до примерно 8 часов. Признано, что в некоторых неограничивающих вариантах длительность старения может быть короче, чем 30 минут, или дольше, чем 8 часов, и в общем зависит от размера и сечения разновидности изделия из титанового сплава. Общие методы, применяемые при STA-обработке титановых сплавов, известны практикующим специалистам с обычной квалификацией в этой области техники и поэтому здесь больше не обсуждаются.
[0027] Хотя признано, что на механические свойства титановых сплавов, как правило, влияет размер испытуемого образца, в некоторых неограничивающих вариантах титанового сплава согласно настоящему изобретению титановый сплав проявляет скорость установившейся ползучести (также известной как вторичная, или «стадии II») менее 8×10-4 (24 часа)-1 при температуре по меньшей мере 890°F под нагрузкой 52 ksi (тысяч фунтов на квадратный дюйм, 1 ksi = 6,894757 МПа). Кроме того, например, некоторые неограничивающие варианты титановых сплавов согласно настоящему изобретению могут проявлять скорость установившейся ползучести (вторичной, или стадии II) менее 8×10-4 (24 часа)-1 при температуре 900°F под нагрузкой 52 ksi. В некоторых неограничивающих вариантах согласно настоящему изобретению титановый сплав проявляет предел прочности при растяжении по меньшей мере 130 ksi при 900°F. В других неограничивающих вариантах титановый сплав согласно настоящему изобретению проявляет время до 0,1% деформации ползучести не менее 20 часов при 900°F под нагрузкой 52 ksi.
[0028] Нижеследующие примеры предназначены для дополнительного описания неограничивающих вариантов согласно настоящему изобретению, без ограничения объема настоящего изобретения. Специалистам обычной квалификации в этой области техники будет понятно, что возможны вариации нижеследующих примеров без выхода за пределы объема изобретения, который определяется исключительно формулой изобретения.
ПРИМЕР 1
[0029] В таблице 1 перечислены элементные составы некоторых неограничивающих вариантов титановых сплавов согласно настоящему изобретению («Экспериментальный титановый сплав № 1», «Экспериментальный титановый сплав № 2» и «Экспериментальный титановый сплав № 3»), вместе со сравнительным титановым сплавом, который не включает намеренную добавку германия («Сравнительный титановый сплав»).
Таблица 1
| Сплав | Al (мас.%) | Sn (мас.%) | Zr (мас.%) | Mo (мас.%) | Si (мас.%) | O (мас.%) | Ge (мас.%) | C (мас.%) | N (мас.%) |
| Сравнительный титановый сплав, UNS R58650 (B5P41) | 5,9 | 1,8 | 4,1 | 1,9 | 0,07 | 0,16 | 0,0 | 0,013 | 0,001 |
| Экспериментальный титановый сплав № 1 (B5P42) | 5,9 | 1,9 | 4,0 | 1,8 | 0,06 | 0,12 | 0,1 | 0,003 | 0,001 |
| Экспериментальный титановый сплав № 2 (B5P43) | 5,9 | 1,9 | 3,9 | 1,9 | 0,07 | 0,13 | 0,2 | 0,003 | 0,001 |
| Экспериментальный титановый сплав № 3 (B4M35) | 6,0 | 2,0 | 3,7 | 1,8 | 0,11 | 0,13 | 0,4 | 0,008 | 0,001 |
[0030] Плавки методом плазменно-дуговой плавки (ПДП) Сравнительного титанового сплава, Экспериментального титанового сплава № 1, Экспериментального титанового сплава № 2 и Экспериментального титанового сплава № 3, перечисленных в Таблице 1, были получены с использованием плазменно-дуговых печей с образованием электродов диаметром 9 дюймов, каждый массой приблизительно 400-800 фунтов. Электроды переплавили в печи вакуумно-дугового переплава (ВДП) с получением слитков диаметром 10 дюймов. Каждый слиток преобразовали в круглую заготовку (биллет) диаметром 3 дюйма с использованием пресса для горячей обработки давлением. После стадии горячей β-ковки до диаметра 7 дюймов, стадии α+β-ковки с предварительной деформацией до диаметра 5 дюймов и заключительной стадии β-проковки до диаметра 3 дюйма концы каждой заготовки обрезали для удаления вмятин и торцовых трещин, и заготовки разрезали на несколько кусков. Взяли образцы из верхней части каждой заготовки и нижней части самой нижней заготовки при диаметре 7 дюймов для исследования химического состава и β-превращения. Исходя из промежуточных результатов химического анализа заготовки, от заготовок отрезали образцы длиной 2 дюйма и ковали «блины» на прессе. Образцы-«блины» подвергли термической обработке до термообработанного на твердый раствор и состаренного состояния в следующих условиях: термообработка на твердый раствор титанового сплава при температуре от 1780°F до 1800°F в течение 4 часов; охлаждение титанового сплава до температуры окружающей среды со скоростью, зависящей от толщины сечения титанового сплава; старение титанового сплава при температуре от 1025°F до 1125°F в течение 8 часов; и охлаждение титанового сплава на воздухе.
[0031] Испытуемые заготовки для проведения испытаний на растяжение при комнатной и высокой температуре, испытаний на ползучесть, вязкость разрушения и анализа микроструктуры вырезали из подвергнутых STA-обработке образцов-блинов. Окончательный химический анализ выполняли на образце после проведения испытания на вязкость разрушения, чтобы обеспечить точную корреляцию между химическим составом и механическими свойствами. Некоторые механические свойства экспериментальных титановых сплавов, перечисленных в Таблице 1, измерили и сравнили с механическими свойствами сравнительного титанового сплава, указанного в Таблице 1. Результаты перечислены в Таблице 2. Испытания на растяжение проводили согласно стандарту E8/E8M-09 Американского общества по испытанию материалов (American Society for Testing and Materials (ASTM) («Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials» («Стандартные методы испытания на растяжение металлических материалов»), ASTM International, 2009). Как показали приведенные в Таблице 2 результаты, образцы экспериментальных титановых сплавов проявляли предел прочности при растяжении и предел текучести при комнатной температуре, сравнимые со сравнительным титановым сплавом, который не содержал преднамеренной добавки германия.
Таблица 2
| Сплав | Термическая обработка | Комнатная температура (72°F) | Повышенная температура (900°F) | ||||||
| UTS (ksi) | YS (ksi) | %el | %RA | UTS (ksi) | YS (ksi) | %el | %RA | ||
| Сравнительный титановый сплав, UNS R58650 (B5P41) | 1 | 178 | 163 | 13 | 45 | 125 | 109 | 17 | 63 |
| Экспериментальный титановый сплав № 1 (B5P42) | 1 | 175 | 157 | 13 | 39 | 130 | 103 | 18 | 64 |
| Экспериментальный титановый сплав № 2 (B5P43) | 1 | 178 | 157 | 14 | 39 | 130 | 95 | 17 | 59 |
| Экспериментальный титановый сплав № 3 (B4M35) | 2 | 177 | 158 | 6 | 12 | 133 | 106 | 13 | 41 |
Термические обработки:
1 - термообработка на твердый раствор при 1785,4°F в течение 4 часов, закалка в воде, старение при 1100°F в течение 8 часов и охлаждение на воздухе,
2 - термообработка на твердый раствор при 1800°F в течение 4 часов, закалка в воде, старение при 1100°F в течение 8 часов и охлаждение на воздухе;
UTS – предел прочности при растяжении;
YS – предел текучести;
%el – относительное удлинение, %;
%RA – относительное сужение, %.
[0032] Испытания на длительную прочность согласно стандарту ASTM E139 проводили на сплавах, перечисленных в Таблице 1. Результаты представлены на ФИГ. 1. Экспериментальные титановые сплавы по настоящему изобретению проявляли весьма благоприятные скорости вторичной ползучести относительно сравнительного титанового сплава. Обращаясь к ФИГ. 2-4, в Экспериментальном титановом сплаве № 2 было обнаружено выделение интерметаллической фазы циркония-кремния-германия после воздействия ползучести при постоянной нагрузке и повышенной температуре сверх времени первичной (или стадии I) ползучести. Как показано на ФИГ. 1, образцы экспериментальных титановых сплавов по настоящему изобретению проявляли установившуюся ползучесть спустя приблизительно 30 часов при 900°F под нагрузкой 52 ksi. Сравнительный титановый сплав проявлял время до 0,1% деформации ползучести 19,4 часа при 900°F под нагрузкой 52 ksi. Экспериментальный титановый сплав № 1, Экспериментальный титановый сплав № 2 и Экспериментальный титановый сплав № 3 все проявили значительно большее время до 0,1% деформации ползучести при 900°F под нагрузкой 52 ksi: 32,6 часа, 55,3 часа и 93,3 часа соответственно.
[0033] Образцы, изученные до воздействия ползучести (но после термических обработок), не выявили присутствия интерметаллических выделений. Обращаясь к ФИГ. 2, сканирование элементного состава методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS) Экспериментального титанового сплава № 2 перед воздействием ползучести показало практически равномерное распределение германия в α/β-микроструктуре, без интерметаллических частиц. На ФИГ. 3-4 после воздействия ползучести видно выделение циркония, кремния и германия в интерметаллические частицы. Интерметаллические частицы, как правило, проявляют обеднение алюминием относительно окружающих частиц альфа-фазы. Образование выделившихся интерметаллических частиц после воздействия ползучести было особенно неожиданным и удивительным. Без намерения вдаваться в какую-либо теорию, представляется, что интерметаллические частицы могут улучшать вторичную ползучесть у сплавов без оказания существенного влияния на высокотемпературный предел текучести.
[0034] Потенциальные применения сплавов согласно настоящему изобретению являются многочисленными. Как описано и подтверждено выше, описанные здесь титановые сплавы преимущественно используются во множестве разнообразных применений, в которых важно сопротивление ползучести при повышенных температурах. Изделия, для изготовления которых титановые сплавы согласно настоящему изобретению были бы особенно выгодными, включают определенные аэрокосмические и авиационные применения, включая, например, рабочие колеса турбин реактивных двигателей и лопатки турбовентиляторов. Специалисты обычной квалификации в этой области техники будут в состоянии изготовить вышеуказанные оборудование, детали и другие изделия производства из сплавов согласно настоящему изобретению без необходимости в представлении здесь дополнительного описания. Вышеуказанные примеры возможных вариантов применения для сплавов согласно настоящему изобретению приведены только в качестве примера и не являются исчерпывающим перечнем всех вариантов применения, в которых могут быть использованы разновидности изделий из данного сплава. Имеющие обычную квалификацию специалисты, по прочтении настоящего раскрытия, могут легко выявить дополнительные применения для описанных здесь сплавов.
[0035] Различные неисчерпывающие, неограничивающие аспекты новых сплавов и способов согласно настоящему изобретению могут быть полезными по отдельности или в комбинации с одним или более описанными здесь аспектами. Без ограничения приведенного выше описания, в первом неограничивающем аспекте настоящего изобретения титановый сплав содержит, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава: от 5,5 до 6,5 алюминия; от 1,5 до 2,5 олова; от 1,3 до 2,3 молибдена; от 0,1 до 10,0 циркония; от 0,01 до 0,30 кремния; от 0,1 до 2,0 германия; титан; и примеси.
[0036] В соответствии со вторым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может быть использован в комбинации с первым аспектом, титановый сплав содержит, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава: от 5,5 до 6,5 алюминия; от 1,7 до 2,1 олова; от 1,7 до 2,1 молибдена; от 3,4 до 4,4 циркония; от 0,03 до 0,11 кремния; от 0,1 до 0,4 германия; титан; и примеси.
[0037] В соответствии с третьим неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может быть использован в комбинации с каждым или любым из вышеуказанных аспектов, титановый сплав содержит, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава: от 5,9 до 6,0 алюминия; от 1,9 до 2,0 олова; от 1,8 до 1,9 молибдена; от 3,5 до 4,3 циркония; от 0,06 до 0,11 кремния; от 0,1 до 0,4 германия; титан; и примеси.
[0038] В соответствии с четвертым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может быть использован в комбинации с каждым или любым из вышеуказанных аспектов, титановый сплав дополнительно содержит, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава: от 0 до 0,30 кислорода; от 0 до 0,30 железа; от 0 до 0,05 азота; от 0 до 0,05 углерода; от 0 до 0,015 водорода; и от 0 до 0,1 каждого из ниобия, вольфрама, гафния, никеля, галлия, сурьмы, ванадия, тантала, марганца, кобальта и меди.
[0039] В соответствии с пятым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может быть использован в комбинации с каждым или любым из вышеуказанных аспектов, титановый сплав содержит интерметаллическое выделение циркония-кремния-германия.
[0040] В соответствии с шестым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может быть использован в комбинации с каждым или любым из вышеуказанных аспектов, титановый сплав проявляет скорость установившейся ползучести менее 8×10-4 (24 часа)-1 при температуре по меньшей мере 890°F под нагрузкой 52 ksi.
[0041] В соответствии с седьмым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, способ получения титанового сплава включает: термообработку на твердый раствор титанового сплава при температуре от 1780°F до 1800°F в течение 4 часов; охлаждение титанового сплава до температуры окружающей среды со скоростью, зависящей от толщины сечения титанового сплава; старение титанового сплава при температуре от 1025°F до 1125°F в течение 8 часов; и охлаждение титанового сплава на воздухе, причем титановый сплав имеет состав, указанный в каждом или любом из вышеупомянутых аспектов.
[0042] В соответствии с восьмым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может быть использован в комбинации с каждым или любым из вышеуказанных аспектов, титановый сплав проявляет предел прочности при растяжении по меньшей мере 130 ksi при 900°F.
[0043] В соответствии с девятым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, настоящее изобретение также представляет титановый сплав, состоящий по существу из, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава: от 5,5 до 6,5 алюминия; от 1,5 до 2,5 олова; от 1,3 до 2,3 молибдена; от 0,1 до 10,0 циркония; от 0,01 до 0,30 кремния; от 0,1 до 2,0 германия; титана; и примесей.
[0044] В соответствии с десятым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может быть использован в комбинации с каждым или любым из вышеуказанных аспектов, содержание алюминия в сплаве составляет, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава, от 5,9 до 6,0.
[0045] В соответствии с одиннадцатым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может быть использован в комбинации с каждым или любым из вышеуказанных аспектов, содержание олова в сплаве составляет, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава, от 1,7 до 2,1.
[0046] В соответствии с двенадцатым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может быть использован в комбинации с каждым или любым из вышеуказанных аспектов, содержание олова в сплаве составляет, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава, от 1,9 до 2,0.
[0047] В соответствии с тринадцатым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может быть использован в комбинации с каждым или любым из вышеуказанных аспектов, содержание молибдена в сплаве составляет, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава, от 1,7 до 2,1.
[0048] В соответствии с четырнадцатым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может быть использован в комбинации с каждым или любым из вышеуказанных аспектов, содержание молибдена в сплаве составляет, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава, от 1,8 до 1,9.
[0049] В соответствии с пятнадцатым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может быть использован в комбинации с каждым или любым из вышеуказанных аспектов, содержание циркония в сплаве составляет, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава, от 3,4 до 4,4.
[0050] В соответствии с шестнадцатым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может быть использован в комбинации с каждым или любым из вышеуказанных аспектов, содержание циркония в сплаве составляет, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава, от 3,5 до 4,3.
[0051] В соответствии с семнадцатым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может быть использован в комбинации с каждым или любым из вышеуказанных аспектов, содержание кремния в сплаве составляет, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава, от 0,03 до 0,11.
[0052] В соответствии с восемнадцатым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может быть использован в комбинации с каждым или любым из вышеуказанных аспектов, содержание кремния в сплаве составляет, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава, от 0,06 до 0,11.
[0053] В соответствии с девятнадцатым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может быть использован в комбинации с каждым или любым из вышеуказанных аспектов, содержание германия в сплаве составляет, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава, от 0,1 до 0,4.
[0054] В соответствии с двадцатым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может быть использован в комбинации с каждым или любым из вышеуказанных аспектов, в титановом сплаве: содержание кислорода составляет от 0 до 0,30; содержание железа составляет от 0 до 0,30; содержание азота составляет от 0 до 0,05; содержание углерода составляет от 0 до 0,05; содержание водорода составляет от 0 до 0,015; и содержание каждого из ниобия, вольфрама, гафния, никеля, галлия, сурьмы, ванадия, тантала, марганца, кобальта и меди составляет от 0 до 0,1, все в массовых процентах в расчете на общую массу титанового сплава.
[0055] В соответствии с двадцать первым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может быть использован в комбинации с каждым или любым из вышеуказанных аспектов, способ получения титанового сплава включает: термообработку на твердый раствор титанового сплава при температуре от 1780°F до 1800°F в течение 4 часов; охлаждение титанового сплава до температуры окружающей среды со скоростью, зависящей от толщины сечения титанового сплава; старение титанового сплава при температуре от 1025°F до 1125°F в течение 8 часов; и охлаждение титанового сплава на воздухе, причем титановый сплав имеет состав, указанный в каждом или любом из вышеупомянутых аспектов.
[0056] В соответствии с двадцать вторым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может быть использован в комбинации с каждым или любым из вышеуказанных аспектов, титановый сплав проявляет скорость установившейся ползучести менее 8×10-4 (24 часа)-1 при температуре по меньшей мере 890°F под нагрузкой 52 ksi.
[0057] В соответствии с двадцать третьим неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может быть использован в комбинации с каждым или любым из вышеуказанных аспектов, титановый сплав проявляет предел прочности при растяжении по меньшей мере 130 ksi при 900°F.
[0058] В соответствии с двадцать четвертым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, настоящее изобретение также представляет титановый сплав, содержащий, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава: от 2 до 7 алюминия; от 0 до 5 олова; от 0 до 5 молибдена; от 0,1 до 10,0 циркония; от 0,01 до 0,30 кремния; от 0,05 до 2,0 германия; от 0 до 0,30 кислорода; от 0 до 0,30 железа; от 0 до 0,05 азота; от 0 до 0,05 углерода; от 0 до 0,015 водорода; титан; и примеси.
[0059] В соответствии с двадцать пятым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может быть использован в комбинации с каждым или любым из вышеуказанных аспектов, титановый сплав проявляет скорость установившейся ползучести менее 8×10-4 (24 часа)-1 при температуре по меньшей мере 890°F под нагрузкой 52 ksi.
[0060] В соответствии с двадцать шестым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может быть использован в комбинации с каждым или любым из вышеуказанных аспектов, титановый сплав дополнительно содержит, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава: от 0 до 5 хрома.
[0061] В соответствии с двадцать седьмым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может быть использован в комбинации с каждым или любым из вышеуказанных аспектов, титановый сплав дополнительно содержит, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава: от 0 до 6,0 каждого из ниобия, вольфрама, ванадия, тантала, марганца, никеля, гафния, галлия, сурьмы, кобальта и меди.
[0062] В соответствии с двадцать восьмым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может быть использован в комбинации с каждым или любым из вышеуказанных аспектов, титановый сплав проявляет скорость установившейся ползучести менее 8×10-4 (24 часа)-1 при температуре по меньшей мере 890°F под нагрузкой 52 ksi.
[0063] В соответствии с двадцать девятым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может быть использован в комбинации с каждым или любым из вышеуказанных аспектов, титановый сплав дополнительно содержит, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава: от 0 до 5 хрома.
[0064] Будет понятно, что настоящее описание иллюстрирует те аспекты изобретения, которые важны для четкого понимания изобретения. Некоторые аспекты, которые были бы очевидными специалистам обычной квалификации в этой области техники и поэтому не способствовали бы лучшему пониманию изобретения, не были представлены для того, чтобы упростить настоящее описание. Хотя здесь по необходимости было описано только ограниченное число вариантов осуществления настоящего изобретения, специалист с обычной квалификацией в этой области техники, по прочтении вышеприведенного описания, поймет, что можно воспользоваться многими модификациями и вариациями изобретения. Предполагается, что все такие вариации и модификации изобретения охватываются вышеприведенным описанием и нижеследующей формулой изобретения.
1. Титановый сплав, содержащий, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава:
от 5,5 до 6,5 алюминия;
от 1,5 до 2,5 олова;
от 1,3 до 2,3 молибдена;
от 0,1 до 10,0 циркония;
от 0,01 до 0,30 кремния;
от 0,1 до 2,0 германия;
титан; и
примеси;
причем титановый сплав содержит интерметаллическое выделение, содержащее цирконий, кремний и германий.
2. Титановый сплав по п. 1, содержащий, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава:
от 5,5 до 6,5 алюминия;
от 1,7 до 2,1 олова;
от 1,7 до 2,1 молибдена;
от 3,4 до 4,4 циркония;
от 0,03 до 0,11 кремния;
от 0,1 до 0,4 германия;
титан; и
примеси.
3. Титановый сплав по п. 1, содержащий, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава:
от 5,9 до 6,0 алюминия;
от 1,9 до 2,0 олова;
от 1,8 до 1,9 молибдена;
от 3,5 до 4,3 циркония;
от 0,06 до 0,11 кремния;
от 0,1 до 0,4 германия;
титан; и
примеси.
4. Титановый сплав по п. 1, дополнительно содержащий, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава:
от 0 до 0,30 кислорода;
от 0 до 0,30 железа;
от 0 до 0,05 азота;
от 0 до 0,05 углерода;
от 0 до 0,015 водорода; и
от 0 до 0,1 каждого из ниобия, вольфрама, гафния, никеля, галлия, сурьмы, ванадия, тантала, марганца, кобальта и меди.
5. Титановый сплав по п. 1, причем титановый сплав проявляет скорость установившейся ползучести менее 8×10-4 (24 часа)-1 при температуре по меньшей мере 890°F под нагрузкой 52 ksi.
6. Титановый сплав по п. 1, причем титановый сплав проявляет предел прочности при растяжении по меньшей мере 130 ksi при 900°F.
7. Способ термообработки титанового сплава, включающий:
термообработку на твердый раствор титанового сплава при температуре от 1780°F до 1800°F в течение 4 часов;
охлаждение титанового сплава до температуры окружающей среды со скоростью, зависящей от толщины сечения титанового сплава;
старение титанового сплава при температуре от 1025°F до 1125°F в течение 8 часов; и
охлаждение титанового сплава на воздухе,
причем титановый сплав имеет состав, указанный в п. 1.
8. Титановый сплав, состоящий по существу из, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава:
от 5,5 до 6,5 алюминия;
от 1,5 до 2,5 олова;
от 1,3 до 2,3 молибдена;
от 0,1 до 10,0 циркония;
от 0,01 до 0,30 кремния;
от 0,1 до 2,0 германия;
от 0 до 0,15 кислорода;
от 0 до 0,30 железа;
от 0 до 0,05 азота;
от 0 до 0,05 углерода;
от 0 до 0,015 водорода;
от 0 до 0,1 каждого из ниобия, вольфрама, гафния, никеля, галлия, сурьмы, ванадия, тантала, марганца, кобальта и меди;
титана; и
примесей;
причем титановый сплав содержит интерметаллическое выделение, содержащее цирконий, кремний и германий.
9. Титановый сплав по п. 8, причем содержание алюминия в сплаве составляет, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава, от 5,9 до 6,0.
10. Титановый сплав по п. 8, причем содержание олова в сплаве составляет, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава, от 1,7 до 2,1.
11. Титановый сплав по п. 8, причем содержание олова в сплаве составляет, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава, от 1,9 до 2,0.
12. Титановый сплав по п. 8, причем содержание молибдена в сплаве составляет, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава, от 1,7 до 2,1.
13. Титановый сплав по п. 8, причем содержание молибдена в сплаве составляет, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава, от 1,8 до 1,9.
14. Титановый сплав по п. 8, причем содержание циркония в сплаве составляет, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава, от 3,4 до 4,4.
15. Титановый сплав по п. 8, причем содержание циркония в сплаве составляет, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава, от 3,5 до 4,3.
16. Титановый сплав по п. 8, причем содержание кремния в сплаве составляет, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава, от 0,03 до 0,11.
17. Титановый сплав по п. 8, причем содержание кремния в сплаве составляет, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава, от 0,06 до 0,11.
18. Титановый сплав по п. 8, причем содержание германия в сплаве составляет, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава, от 0,1 до 0,4.
19. Титановый сплав по п. 8, причем титановый сплав проявляет скорость установившейся ползучести менее 8×10-4 (24 часа)-1 при температуре по меньшей мере 890°F под нагрузкой 52 ksi.
20. Титановый сплав по п. 8, причем титановый сплав проявляет предел прочности при растяжении по меньшей мере 130 ksi при 900°F.
21. Способ термообработки титанового сплава, включающий:
термообработку на твердый раствор титанового сплава при температуре от 1780°F до 1800°F в течение 4 часов;
охлаждение титанового сплава до температуры окружающей среды со скоростью, зависящей от толщины сечения титанового сплава;
старение титанового сплава при температуре от 1025°F до 1125°F в течение 8 часов; и
охлаждение титанового сплава на воздухе,
причем титановый сплав имеет состав, указанный в п. 8.
22. Титановый сплав, содержащий, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава:
от 2 до 7 алюминия;
от 0 до 5 олова;
от 0 до 5 молибдена;
от 0,1 до 10,0 циркония;
от 0,01 до 0,30 кремния;
от 0,05 до 2,0 германия;
от 0 до 0,30 кислорода;
от 0 до 0,30 железа;
от 0 до 0,05 азота;
от 0 до 0,05 углерода;
от 0 до 0,015 водорода;
титан; и
примеси;
причем титановый сплав содержит интерметаллическое выделение, содержащее цирконий, кремний и германий.
23. Титановый сплав по п. 22, причем титановый сплав проявляет скорость установившейся ползучести менее 8×10-4 (24 часа)-1 при температуре по меньшей мере 890°F под нагрузкой 52 ksi.
24. Титановый сплав по п. 22, дополнительно содержащий, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава:
от 0 до 5 хрома.
25. Титановый сплав по п. 22, дополнительно содержащий, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава:
от 0 до 6,0 каждого из ниобия, вольфрама, ванадия, тантала, марганца, никеля, гафния, галлия, сурьмы, кобальта и меди.
26. Титановый сплав по п. 25, причем титановый сплав проявляет скорость установившейся ползучести менее 8×10-4 (24 часа)-1 при температуре по меньшей мере 890°F под нагрузкой 52 ksi.
27. Титановый сплав по п. 25, дополнительно содержащий, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава:
от 0 до 5 хрома.
