Жаропрочный титановый сплав

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 750-800°С. Заявлен жаропрочный титановый сплав. Сплав содержит, мас.%: алюминий 5,0-7,5, цирконий 3,0-5,0, вольфрам 5,0-7,5, гафний 0,005-0,2, титан - остальное. Содержание алюминия Al и вольфрама W удовлетворяет неравенству, мас.%: [W-Al]≤0,5. Сплав получен в вакуумно-дуговой печи методом двойного переплава. Сплав характеризуется высокой жаропрочностью и жаростойкостью. Изделия, выполненные из заявленного сплава, работают до температуры 750°С при длительном нагружении и до 800°С°С при кратковременном нагружении. 1 з.п. ф-лы, 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 750-800°C.

При изготовлении указанных конструкций необходимо учитывать следующие требования:

- сплав, из которого изготавливается конструкция, должен обладать достаточно стабильным фазовым составом, чтобы избежать охрупчивания в процессе длительного нагружения и обеспечить высокую прочность и сопротивление ползучести при повышенных температурах;

- сплав должен обладать достаточной жаростойкостью при повышенных температурах.

Известен титановый сплав (патент РФ №533050 от 14.08.75, МПК: C22C 14/00). Его химический состав, мас.%:

Алюминий 6,0-7,0
Молибден 3,5-4,5
Цирконий 3,0-4,5
Олово 1,0-2,5
Вольфрам 0,5-1,5
Кремний 0,1-0,3
Титан остальное

Недостатком этого сплава является недостаточно высокая жаропрочность для деталей и узлов двигателей (он может применяться до температур 500-550°C) и низкая жаростойкость (сплав интенсивно окисляется, начиная с температуры 450°C).

Известен титановый сплав ВТ18У (Б.А.Калачев, В.И.Елагин, В.А.Ливанов Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. - М.: МИСиС, 2005 г., с.217), достаточно широко применяемый в авиационной промышленности для лопаток, дисков компрессоров двигательных установок, имеющий следующий химический состав, мас.%:

Алюминий 6,2-7,3
Молибден 0,4-1,0
Цирконий 3,5-4,5
Ниобий 0,5-1,0
Кремний 0,05-0,2
Олово 2,0-3,0
Титан остальное

Деформируемый жаропрочный титановый сплав является сплавом на основе α-фазы (псевдо-α-сплавом). Сплав выплавляется в вакуумной дуговой печи методом двойного переплава. Сплав работоспособен до температуры 650°C при длительной эксплуатации. Существенным недостатком сплава из-за высокого содержания алюминия является его термическая нестабильность в процессе выдержки при рабочей температуре, что приводит к снижению пластических свойств металла, более низкая технологическая пластичность при горячей деформации, особенно в литом состоянии, по сравнению с другими титановыми сплавами и низкая жаростойкость: сплав начинает интенсивно окисляться при нагреве выше 500°C.

Известен титановый сплав, принятый за прототип (патент РФ №1804139 от 17.04.91, МПК: С22С 14/00), содержащий, мас.%:

Алюминий 5,5-6,5
Цирконий 19,5-22,5
Молибден 3,0-4,5
Празеодим 0,01-0,02
Гафний 0,005-0,3
Олово 0,2-3,5
Вольфрам 0,5-1,5
Титан остальное

Заявленный сплав имеет высокий уровень прочности и пластичности при комнатной температуре. Известный титановый сплав получен литейным способом и предназначен для изготовления фасонного литья, поскольку преимущество титановых сплавов как конструкционных материалов в наибольшей степени реализуется при высоком уровне прочности. Сплав выплавляется в вакуумно-дуговой гарниссажной печи. Хотя сплав содержит вольфрам и гафний, но имеет низкую жаропрочность, склонен к охрупчиванию при длительных нагревах из-за высокого содержания циркония.

Задачей предлагаемого изобретения является создание технологичного высокожаропрочного и жаростойкого титанового сплава, работоспособного до температуры 750°C при длительном нагружении и до 800°C при кратковременном нагружении.

Технический результат заключается в обеспечение надежности работы титановых деталей изделий при температурах до 800°C, в улучшении весовых характеристик узлов изделий, работающих при температурах 750-800°C, в 1,5-2 раза за счет замены аналогичных высоконагруженных деталей из жаропрочных никелевых сплавов титановыми.

Поставленная задача достигается тем, что жаропрочный титановый сплав, содержащий алюминий, цирконий, вольфрам, гафний, титан, получен в вакуумно-дуговой печи, при этом для обеспечения сбалансированности химического и фазового составов предлагаемого сплава содержание алюминия Al и вольфрама W должно удовлетворять следующему неравенству: |% W-% Al|≤0,5%. Наилучшие результаты жаропрочного титанового сплава достигаются при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Алюминий 5,0-7,5
Цирконий 3,0-5,0
Вольфрам 5,0-7,5
Гафний 0,005-0,2
Титан остальное

Жаропрочный титановый сплав получен методом двойного переплава.

Сплав выплавлялся методом двойного переплава в вакуумно-дуговой печи. Для экспериментальной проверки заявляемого состава были выплавлены несколько композиций сплава в виде слитков, из которых были изготовлены кованые прутки d=16 мм, отожженные затем при температуре 800°C в течение одного часа с последующим охлаждением на воздухе.

Из прутков были изготовлены образцы для механических испытаний при нормальных и повышенных температурах, а также образцы для оценки жаростойкости, которая определялась с помощью дериватографа по максимальной температуре, до которой не наблюдалось окисление металла (по привесу).

В таблице представлены результаты проведенных испытаний на растяжение, ударный изгиб, длительную прочность, ползучесть и жаростойкость разработанной композиции сплава. Для сравнения приведены данные для прототипа, аналога титанового сплава ВТ18У и композиций с уровнем легирования ниже и выше, чем для разработанного сплава.

Из таблицы следует, что сплав предлагаемого состава (4-8) заметно превосходит известные титановые сплавы по уровню прочности и жаропрочных характеристик при температурах 750-800°C, а также по стойкости против окисления: максимальная температура нагрева без окисления >800°C против 500°C. Одновременно сплав обеспечивает достаточно высокий уровень пластических и вязких свойств, что обусловливает его надежную работу в высоконагруженных конструкциях. Сплав, соответствующий составу п.9, обладает низкими пластическими свойствами.

Использование заявленного технического решения позволит:

- улучшить весовые характеристики узлов изделий, работающих при температурах 750-800°C, в 1,5-2 раза за счет замены высоконагруженных деталей из жаропрочных никелевых сплавов;

- обеспечить надежность работы титановых деталей изделий при температурах до 800°C за счет исключения процесса проникающего окисления металла.

Результаты проведенных испытаний сплавов
№ п/п Композиция сплава Температура испытания, °C Макс. т-ра нагрева без окисления, °C
20 750 800
σ0,2, МПа σB, МПа δ, % ψ, % KCU, Дж/см2 σB, МПа σ100, МПа σ100, ε<1% МПа σB, МПа σ2, МПа σ2, ε<1% МПа
1 ВТ18У 932-1128 981-1177 8-11 25-45 20-40 (700) 373 (650) 186 (650) 98 137 - - 500
2 прототип 1110-1135 1205-1220 5,9-6,0 - 23-24 - - - - - - -
3 Ti-4,7 Al-2,5 Zr-4,8 W-0,004 Hf 1009 1068 16 39 30 440 189 124 245 141 108 780
4 Ti-5,1 Al-3,2 Zr-5,3 W-0,008 Hf 1078 1128 16 36 31 481 206 147 343 176 137 800
5 Ti-5,4 Al-3,5 Zr-5,6 W-0,1 Hf 1099 1164 15 36 30 500 218 148 356 176 139 816
6 Ti-6,0 Al-4,5 Zr-6,0 W-0,12 Hf 1147 1226 13 31 30 517 228 166 370 194 155 830
7 Ti-6,7 Al-5,0 Zr-7,0 W-0,15 Hf 1164 1280 8 20 27 544 239 172 390 204 168 846
8 Ti-7,2 Al-5,0 Zr-7,3 W-0,19 Hf 1226 1324 6 11 25 569 248 177 412 216 187 861
9 Ti-7,7 Al-5,5 Zr-7,8 W-0,24 Hf 1324 1373 4 7 20 611 238 189 441 234 206 890

1. Жаропрочный титановый сплав, полученный в вакуумно-дуговой печи и содержащий алюминий, цирконий, вольфрам, гафний и титан, отличающийся тем, что он содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:

Алюминий 5,0-7,5;
Цирконий 3,0-5,0;
Вольфрам 5,0-7,5:
Гафний 0,005-0,2;
Титан остальное,

при этом содержание алюминия Al и вольфрама W удовлетворяет неравенству, мас.%: [W-Al]≤0,5.

2. Жаропрочный титановый сплав по п.1, отличающийся тем, что получен методом двойного переплава.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению пористого никелида титана для использования в изделиях медицинской техники, например, в устройствах, замещающих костные структуры в медицине.
Изобретение относится к металлургии сплавов на основе титана, используемых для изготовления крупногабаритных сварных конструкций. .

Изобретение относится к металлургии титановых сплавов, содержащих в качестве основы титан с заданным соотношением легирующих и примесных элементов, и предназначено для использования в атомном энергетическом машиностроении при производстве силовых крепежных элементов фланцевых соединений и герметичных разъемов различных сосудов давления, трубопроводов и арматуры реакторного оборудования.
Изобретение относится к титановому сплаву, детали из упомянутого сплава и способу ее изготовления и может быть использовано для изготовления спортивного снаряжения, снаряжения для досуга, медицинских инструментов, а также промышленных узлов и деталей аэрокосмического оборудования.

Изобретение относится к изделиям, содержащим металлические композиции на основе титана и, в частности, к изделиям, изготовленным из композиции титана с диспергированными в них частицами борида титана.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для изготовления изделий для авиационной и космической промышленности. .

Изобретение относится к области металлургии и касается сплавов на основе алюминидов титана, полученных плавлением или порошковой металлургии, с составом Ti-zAl-yNb, где 44,5 z 45,5 ат.%, и 5 у 10 ат.%, а также содержит молибден 0,1 Мо 5 ат.% и имеет тонкодисперсную -фазу в -титаналюминидном сплаве в температурном интервале до 1320°С.

Изобретение относится к металлургии титановых сплавов, предназначенных для использования при производстве оборудования и в корпусных конструкциях стационарных и транспортных ядерных энергетических установок.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам сплавов на основе титана, которые могут быть использованы в судостроении. .
Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к созданию титановых сплавов. .

Изобретение относится к способам получения изделия из металлического сплава без плавления

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способу получения изделий из -титанового сплава, содержащего 15% молибдена
Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно к интерметаллидным сплавам на основе титана, предназначенным для изготовления деталей компрессора газотурбинного двигателя, например, таких как лопатки, диски, проставки, корпуса, работающих при повышенных температурах

Изобретение относится к области металлургии, а именно к титановым сплавам для коррозионно-стойких материалов

Изобретение относится к области металлургии, а именно к стойким к высокотемпературному окислению титановым материалам из титанового сплава или чистого титана, а также выхлопным трубам для двигателя, изготовленным из этого материала
Изобретение относится к металлургии сплавов на основе титана, используемых для изготовления различных крупногабаритных сварных конструкций, в том числе для оборудования, применяемого в судостроении

Изобретение относится к области металлургии, а именно к коррозионно-стойким титановым сплавам

Изобретение относится к области металлургии, а именно к -титановым сплавам, и может быть использовано для изготовления изделий, в которых требуется низкий модуль Юнга, низкий удельный вес и высокий коэффициент прочности

Изобретение относится к области получения -, псевдо -, + -титановых сплавов из вторичного сырья с регламентированными прочностными свойствами преимущественно для изготовления листовых полуфабрикатов, изделий конструкционного назначения и конструкционной брони и может быть использовано в оборонных и гражданских отраслях промышленности

Изобретение относится к металлургии, в частности к сплавам на основе титана, обладающим высокой стойкостью против щелевой и питтинговой коррозии, которые могут быть использованы для изготовления трубопроводов и трубных систем широкой номенклатуры в судостроении и других отраслях промышленности
Наверх