Интерметаллидный сплав на основе титана
Владельцы патента RU 2405849:
Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) (RU)
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. Предложен интерметаллидный сплав на основе титана, имеющий следующий химический состав, мас.%: Al 10,5-12,5, Nb 38-42, Мо 0,3-0,6, Zr 1,5-2,5, Si 0,1-0,25, С 0,03-0,08, W 0,5-1,0, Та 0,7-1,5, Ti - остальное. Сплав характеризуется повышенной жаростойкостью при температуре до 700°C. Повышается ресурс деталей и обеспечивается надежная работа конструкции. 2 табл.
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.
Известен интерметаллидный сплав на основе титана, имеющий следующий химический состав, мас.%:
| Al | 9,3-14,0 |
| Nb | 32,0-60,5 |
| V | 0,24-6,2 |
| Ti | остальное (Патент США №5205984) |
Из известного сплава изготавливают элементы конструкций двигателей, работающих при температурах 550-650°C в неокислительной среде.
Недостатком сплава является низкая жаропрочность - длительная прочность за 100 часов при температурах до 650°C. Изделия, изготовленные из известного сплава, имеют ограниченный ресурс работы при рабочих температурах.
Известен интерметаллидный сплав на основе титана, имеющий следующий химический состав, мас.%:
| Al | 8,2-11,81 |
| Nb | 31,7-43,8 |
| Mo | 0-3,2 |
| Ta | 0-6,1 |
| Zr | 0-3,0 |
| Si | 0-0,38 |
| Ti | остальное (Патент ЕП №0924308) |
Сплав имеет недостаточно высокие значения удельной прочности, при комнатной температуре и удельной кратковременной и длительной прочности за 100 часов при температурах до 650°C из-за повышенной плотности. Элементы конструкции, изготовленные из известного сплава, имеют ограниченный ресурс, вследствие повышенного окисления.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является интерметаллидный сплав на основе титана, имеющий следующий химический состав, мас.%:
| Al | 10-12 |
| Nb | 38-42 |
| Mo | 0,5-1,0 |
| V | 1-1,5 |
| Zr | 1-1,5 |
| Si | 0,1-0,25 |
| C | 0,03-0,08 |
| Ti | остальное (Патент РФ 2210612) |
Сплав-прототип обладает недостаточной жаростойкостью к окислению в воздушной среде при рабочих температурах 600°C и выше.
Технической задачей изобретения является разработка интерметаллидного сплава на основе титана, обладающего повышенной жаростойкостью при температуре до 700°C.
Для достижения поставленной технической задачи предложен интерметаллидный сплав на основе титана, содержащий алюминий, ниобий, молибден, цирконий, кремний и углерод, который дополнительно содержит вольфрам и тантал при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Al | 10,5-12,5 |
| Nb | 38-42 |
| Mo | 0,3-0,6 |
| Zr | 1,5-2,5 |
| Si | 0,1-0,25 |
| C | 0,03-0,08 |
| W | 0,5-1,0 |
| Ta | 0,7-1,5 |
| Ti | остальное |
Изделия из предлагаемого сплава способны длительно работать при температурах до 700°C в воздушной среде.
Авторами установлено, что дополнительное введение в интерметаллидный сплав на основе титана вольфрама и тантала, при заявленном соотношении и содержании компонентов, повышает жаростойкость сплава за счет формирования на поверхности сплава плотных оксидных соединений [(Ti2O3, Al2O3, (Nb, Ta)2O5], затрудняющих проницаемость кислорода к границам раздела газовая среда - металл, и образования в поверхностном слое металла легированных твердых растворов титана с Nb, Mo, W, Ta и Si, снижающих коэффициенты диффузии кислорода в матрице при повышенных температурах.
Примеры осуществления
Слитки предлагаемых сплавов изготавливали по технологии производства интерметаллидных титановых сплавов, включающей использование шихтовых материалов - титановой губки и лигатур, изготовление расходуемого электрода методом непрерывного прессования, выплавку слитков многократным вакуумно-дуговым переплавом для получения однородного химического состава.
Для испытаний на жаростойкость использовались цилиндрические образцы размером 15×20 мм.
Составы предлагаемого сплава (№1-3) и сплава-прототипа №4 приведены в таблице 1.
Жаростойкость сплавов оценивали по привесу образцов в г/м2 при их выдержке в воздушной среде при температурах 600, 650, 700°C в течение 100 часов.
Как видно из таблицы 2, предлагаемый сплав превосходит сплав-прототип по жаростойкости при температуре 600°C на 29,3-34,6%, при температуре 650°C на 14,5-18,7% и при 700°C на 24-25%.
Использование предлагаемого сплава в качестве жаростойкого материала позволит повысить ресурс деталей и обеспечить надежную работу конструкции.
| Таблица | ||||||||||
| № | Содержание компонентов в мас.% | |||||||||
| Al | Nb | Mo | Zr | Si | C | W | Ta | V | Ti | |
| 1 | 10,5 | 38,0 | 0,3 | 1,5 | 0,10 | 0,03 | 0,5 | 0,7 | - | Основа |
| 2 | 11,1 | 39,0 | 0,5 | 2,0 | 0,12 | 0,04 | 0,7 | 0,9 | - | -|- |
| 3 | 12,5 | 42,0 | 0,6 | 2,5 | 0,25 | 0,08 | 1,0 | 1,5 | - | -|- |
| 4 | 10,5 | 39,0 | 0,6 | 1,2 | 0,18 | 0,06 | - | - | 1,3 | -|- |
| Таблица 2 | |||
| № | Привес при окислении, г/м2 за 100 часов | ||
| Температура испытаний, °C | |||
| 600 | 650 | 700 | |
| 1 | 0,53 | 0,78 | 0,96 |
| 2 | 0,51 | 0,81 | 0,95 |
| 3 | 0,49 | 0,82 | 0,91 |
| 4 | 0,75 | 0,96 | 1,2 |
Интерметаллидный сплав на основе титана, включающий алюминий, ниобий, молибден, цирконий, кремний и углерод, отличающийся тем, что он дополнительно содержит вольфрам и тантал при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Al | 10,5-12,5 |
| Nb | 38-42 |
| Мо | 0,3-0,6 |
| Zr | 1,5-2,5 |
| Si | 0,1-0,25 |
| С | 0,03-0,08 |
| W | 0,5-1,0 |
| Та | 0,7-1,5 |
| Ti | остальное |
