Сплав на основе титана

 

Изобретение относится к сплавам на основе титана, предназначенным для применения в качестве конструкционного материала. Сплав содержит, мас.%: алюминий 5,8-6,4; цирконий 3,5-4,5; вольфрам 4,5-5,3; олово 1,5-2,0; молибден 0,4-0,8; кремний 0,15-0,25; иттрий 0,07-0,12; ниобий 0,01-0,1; никель 0,01-0,1; углерод 0,02-0,12; кислород 0,03-0,12, титан - остальное. Свойства сплава следующие: 118-125 кгс/мм²; 5-10%; 10-20%; 55-62 кгс/мм²; 35-41 кгс/мм²; 45-49 кгс/мм²; 16-21 кгс/мм². 1 табл.

Изобретение относится к разработке жаропрочных сплавов на основе титана, предназначенных для изготовления деталей, работающих при повышенных температурах и может быть использовано для изготовления деталей в авиационной промышленности, машиностроении и других областях промышленности.

Известен сплав на основе титана, содержащий ингредиенты в следующем соотношении, мас. % : Алюминий 6,5-7,8 Цирконий 2,0-4,0 Вольфрам 5,3-7,5 Олово 0,5-2,5 Молибден 1,0-2,0 Кремний 0,05-0,2 Рений 0,05-0,2 Титан Остальное Этот сплав имеет недостаточно высокие характеристики длительной прочности при 550 и 600^оС, а также предела ползучести при 600^оС: σ₁₀₀ при 550^оС - 50 кгс/мм², σ₁₀₀ при 600^оС - 35 кгс/мм², σ_0,2/100 при 600^оС - 12-14 кгс/мм², необходимые для высоконагруженных деталей.

Целью изобретения является повышение жаропрочных свойств при 550-600^оС, сохраняя при этом достаточно высокий предел прочности.

Это достигается тем, что сплав дополнительно содержит иттрий, никель, ниобий, углерод, кислород при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: Алюминий 5,8-6,4 Цирконий 3,5-4,5 Вольфрам 4,5-5,3 Олово 1,5-2,0 Молибден 0,4-0,8 Кремний 0,15-0,25 Иттрий 0,07-0,12 Ниобий 0,01-0,1 Никель 0,01-0,1 Углерод 0,02-0,12 Кислород 0,03-0,12 Снижение содержания алюминия в сплаве до 6,4% способствует повышению термической стабильности и характеристик разрушения (КСТ, К_1С) предлагаемого сплава по сравнению с прототипом.

Содержание молибдена снижено по сравнению с прототипом до 0,8%, что обеспечивает более высокую криоустойчивость предлагаемого сплава.

Введение иттрия в титановый сплав в указанных количествах приводит к измельчению структурных составляющих в процессе термомеханической и термической обработки при температурах выше температуры α + β ->> β превращения, т. е. снижает чувствительность сплава к перегреву. Это позволяет получить оптимальную структуру, обеспечивающую высокий уровень жаропрочности, малоцикловой выносливости.

Кроме того, установлено, что иттрий в сочетании с вольфрамом в указанных количествах существенно снижает коэффициент самодиффузии сплава, а, следовательно, и скорость протекания диффузионных процессов, что приводит к повышению жаропрочных характеристики и термической стабильности сплава.

Микролегирование ниобием и никелем в указанных количествах способствует повышению технологической пластичности сплава и жаропрочных характеристик.

Введение углерода в указанных пределах приводит к повышению температуры полиморфного превращения, что позволяет осуществлять процессы нагрева при деформации и термической обработке при более высоких температурах. Кроме того, углерод в указанных пределах повышает предел кратковременной прочности и длительной прочности, не снижая пластичности.

Кислород в указанных количествах повышает предел прочности при 20^оС. Уменьшение кислорода менее 0,3% не обеспечивает требуемой прочности, а увеличение его в сплаве свыше 0,12% приводит к снижению ударной вязкости, термической стабильности и предела ползучести.

Уменьшение содержания алюминия до 6,4%, молибдена до 0,8% и введение иттрия, ниобия, никеля, углерода и кислорода в указанных пределах позволяет повысить характеристики жаропрочности при 550-600^оС, сохраняя достаточно высокий предел прочности.

Для лабораторных исследований опытного сплава использовали полуфабрикаты (прутки диаметром 12-25 мм) в отожженном состоянии следующего состава, мас.%.

Сплав 1. 5,8 Al-4,5 Zr-5,3 W-2 Sn-0,4 Mo-0,15 Si-0,07 Y-0,1 Nb-0,07 Ni-0,03 C-0,03 O₂-Ti-основа.

Сплав 2. 5,1 Al-4,0 Zr-4,9 W-1,5 Sn-0,6 Mo-0,2 Si-0,09 Y-0,05 Nb-0,1 Ni-0,09 C-0,07 O₂-Ti-основа.

Сплав 3. 6,4 Al-3,5 Zr-4,5 W-1,7 Sn-0,8 Mo-0,26 Si-0,12 Y-0,01 Nb-0,01 Ni-0,12 C-0,12 O₂-Ti-основа.

Сплав 4. 5,7 Al-3,4 Zr-4,4 W-1,4 Sn-0,3 Mo-0,14 Si-0,06 Y-0,009 Nb-0,009 Ni-0,01 C-0,02 O₂-Ti-основа.

Сплав 5. 6,5 Al-4,6 Zr-5,4 W-2,1 Sn-0,9 Mo-0,26 Si-0,13 Y-0,11 Nb-0,11 Ni-0,13 C-0,13 O₂-Ti-основа.

Сплавы выплавляли в вакуумной дуговой печи методом двойного переплава. Прутки подвергали термической обработке по стандартному режиму: нагрев при температуре Т_пп-30^оС, выдержка 5 ч, охлаждение на воздухе, нагрев при температуре 500^оС, выдержка 5 ч, охлаждение на воздухе, нагрев при 600^оС, выдержка в течение 15-24 ч, охлаждение на воздухе.

Сравнительные свойства предлагаемого (1-5) и известного (6) сплавов приведены в таблице.

Как видно из таблицы предлагаемый сплав превосходит известный сплав по длительной прочности при 550^оС на 10-20 кгс/мм², при 600^оС - на 3-5 кгс/мм², по пределу ползучести при 500^оС - на 5 кгс/мм², при 550^оС - на 2-3 кгс/мм², при 600^оС - на 5 кгс/мм².

Более узкий интервал по легированию предлагаемого сплава позволяет получать более однородный уровень свойств.

Предлагаемый сплав обладает более высокой удельной прочностью при указанных температурах по сравнению с известным. Поэтому применение этого сплава позволит снизить вес изделия и повысить его технические данные.

Высокий уровень жаропрочности позволяет рекомендовать сплав для работы при температурах 500-600^оС.

Преимуществом предлагаемого сплава является также более низкая себестоимость его за счет исключения дефицитного рения и снижения молибдена и вольфрама.

Формула изобретения

СПЛАВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА, содержащий алюминий, цирконий, вольфрам, олово, молибден и кремний, отличающийся тем, что, с целью повышения жаропрочных свойств при 550 - 600^oС, он дополнительно содержит иттрий, ниобий, никель, углерод и кислород при следующем соотношении компонентов, мас.%: Алюминий - 5,8 - 6,4 Цирконий - 3,5 - 4,5 Вольфрам - 4,5 - 5,3 Олово - 1,5 - 2,0 Молибден - 0,4 - 0,8 Кремний - 0,15 - 0,25
Иттрий - 0,07 - 0,12
Ниобий - 0,01 - 0,1
Никель - 0,01 - 0,1
Углерод - 0,02 - 0,12
Кислород - 0,03 - 0,12
Титан - Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1