Сплав на основе титана и изделие, выполненное из него


 


Владельцы патента RU 2507289:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU)

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству титановых сплавов, и может быть использовано для высоконагруженных деталей и узлов, работающих при температурах до 550°C длительно и при 600°C кратковременно. Сплав на основе титана содержит, мас.%: Al 5,0-6,6, Mo 1,5-2,5, Zr 1,0-2,8, V 0,4-1,4, Fe 0,08-0,40, Si 0,08-0,28, Sn 1,5-3,8, Nb 0,4-1,2, O 0,02-0,18, C 0,008-0,080, Ti - остальное. Сплав обладает высокими прочностными характеристиками при температурах до 600°C, повышенным уровнем технологичности при горячей деформации. 2 н.п. ф-лы, 3 табл., 3 пр.

 

Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к производству титановых сплавов, и может быть использовано для высоконагруженных деталей и узлов, работающих при температурах до 550°C длительно и при 600°C кратковременно, например, для корпусов и деталей компрессора, таких как проставки и лопатки газотурбинных двигателей (ГТД), а также других деталей авиакосмической техники и машиностроения.

Известен сплав на основе титана, имеющий следующий химический состав, мас.%:

Al 5,35-6,1
Mo 0,15-0,75
Zr 3,25-5,0
Si 0,2-0,6
Sn 3,5-4,5
Nb 0,5-1,5
C 0,03-0,1
Ti остальное

(Патент США №4770726).

Из известного сплава на основе титана изготавливают диски и лопатки компрессора высокого давления ГТД.

Недостатком сплава и изделий, выполненных из него, является относительно низкая прочность полуфабрикатов и деталей в отожженном состоянии. Поэтому указанный сплав применяется преимущественно после упрочняющей термической обработки (закалка в масло и последующее старение).

Сплав в термоупрочненном состоянии обладает пониженными характеристиками пластичности (δ≥6%; ψ≥15%) и высокой чувствительностью к концентраторам напряжений, а также узким температурным интервалом интенсивной горячей деформации, который составляет величину около 50°C.

Изделия, выполненные из этого сплава, требуют высокого качества поверхности после механической обработки, обладают высокой стоимостью и поэтому имеют ограниченное применение.

Известен сплав на основе титана, имеющий следующий химический состав, мас.%:

Al 5,5-6,5
Mo 0,3-0,5
Zr 3,5-4,5
Fe ≤0,03
Si 0,35-0,55
Sn 2,0-4,0
O ≤0,14
Ti остальное

(Патент ЕР №0269196).

Из известного сплава изготавливают диски компрессора высокого давления газотурбинных двигателей.

Недостатками известного сплава является низкий уровень прочностных характеристик при температурах до 550°C, повышенная чувствительность сплава к примеси железа, что ограничивает применение сплава. Сплав и изделия, выполненные из него, обладают низкими усталостными характеристиками из-за крупнозернистой структуры.

Известен сплав на основе титана, имеющий следующий химический состав, мас.%:

Al 5,5-6,5
Mo 0,7-3,0
Zr 0,7-5,0
Si 0,04-0,13
Sn 1,7-2,3
Ti остальное (Патент США №3833363).

Из известного сплава изготавливают корпуса, диски и лопатки компрессора высокого давления газотурбинных двигателей, а также лопатки и другие детали турбин энергетических установок, длительно работающих при температурах до 500°C.

Недостатками известного сплава является низкий уровень прочностных и усталостных характеристик в интервале температур от 20°C до 500°C.

Изделия, выполненные из этого сплава, имеют низкий рабочий ресурс.

Известен сплав на основе титана, имеющий следующий химический состав, мас.%:

Al 6,2-7,0
Mo 0,4-1,0
Zr 3,5-4,5
Si 0,1-0,22
Sn 2,2-3,5
Nb 0,5-1,5
O 0,05-0,12
C 0,02-0,1
Ti остальное

(Патент РФ №2039112).

Из известного сплава изготавливают диски и лопатки компрессора высокого давления газотурбинных двигателей с рабочей температурой до 600°C.

Недостатками сплава являются низкие прочностные характеристики, пониженная термическая стабильность (δ≥3,5% после эксплуатации в течение 100 часов при 600°C), узкий температурный интервал интенсивной деформации в двухфазной области (около 80°C) из-за высокого суммарного содержания алюминия, олова и циркония, что делает невозможным изготовление тонких листов и корпусных деталей.

Известен сплав на основе титана, имеющий следующий химический состав, мас.%:

Al 5,8-6,6
Mo 0,8-1,5
Zr 2,0-4,0
Fe 0,06-0,13
Si 0,25-0,45
Sn 2,5-4,5
Nb 0,8-2,5
O 0,05-0,12
C 0,05-0,1
W 0,35-0,8
Ti остальное

и изделие, выполненное из него (Патент РФ №2039112).

Из известного сплава изготавливают диски и лопатки компрессора высокого давления газотурбинных двигателей.

Недостатком сплава является относительно низкий уровень прочности при температурах 20-550°C и узкий температурный интервал интенсивной деформации в двухфазной области (около 100°C) из-за повышенного суммарного содержания элементов, стабилизирующих альфа-фазу и нейтральных упрочнителей (алюминии, цирконий, олово), что ограничивает применение сплава.

Наиболее близким аналогом по назначению и совокупности существенных признаков, взятым за прототип, является сплав на основе титана, имеющий следующий химический состав, мас.%:

Al 5,5-7,0
Mo 0,5-2,0
Zr 1,5-2,5
V 0,8-2,5
Fe 0,03-0,3
W 0,001-0,10
Cu 0,001-0,08
Ni 0,001-0,02
Mn 0,001-0,10
H 0,003-0,3
Cr 0,001-0,10
Ti остальное

и изделие, выполненное из него (Патент РФ №2308497).

Из сплава-прототипа изготавливают корпуса (в т.ч. выполненные из листов), кольца, проставки и направляющие лопатки компрессора ГТД длительно работающие при температурах до 450°C и кратковременно до 500°C.

Недостатком сплава является низкий уровень прочностных характеристик в интервале рабочих температур, резкое снижение прочностных характеристик при температурах более 500°C, что ограничивает применение сплава. Сплав применяется в отожженном состоянии, при этом термической обработкой не упрочняется. Полуфабрикаты из сплава обладают анизотропией структуры и механических свойств из-за низкой температуры отжига.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание сплава на основе титана, обладающего повышенными прочностными характеристиками при температурах до 600°C при повышенном уровне технологичности при горячей деформации.

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен сплав на основе титана, содержащий алюминий, молибден, цирконий, ванадий, железо, отличающийся тем, что дополнительно содержит олово, ниобий, кремний, кислород, углерод при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Al 5,0-6,6
Mo 1,5-2,5
Zr 1,0-2,8
V 0,4-1,4
Fe 0,08-0,40
Si 0,08-0,28
Sn 1,5-3,8
Nb 0,4-1,2
O 0,02-0,18
C 0,008-0,080
Ti остальное

и изделие, выполненное из него.

Предлагаемый сплав можно использовать для изготовления корпусов и роторных деталей компрессора высокого давления газотурбинных двигателей, а также деталей энергетических установок, включая лопатки турбин.

Дополнительное введение ниобия, олова и кремния позволяют повысить прочностные характеристики сплава в интервале рабочих температур при заявленном содержании других компонентов.

Увеличение минимального суммарного содержания элементов бета- стабилизаторов (молибден, ванадий, железо), дополнительное введение ниобия в предлагаемом сплаве позволяет улучшить технологичность, в том числе при горячей деформации, сплава за счет увеличения количества стабильной бета-фазы. При этом сплав дополнительно содержит элементы внедрения (альфа-стабилизаторы) - кислород и углерод, которые повышают температуру полиморфного превращения и компенсируют снижение уровня содержания алюминия для увеличения степени твердорастворного упрочнения и расширения температурного интервала деформации в двухфазной области. Указанные выше особенности химического состава сплава обеспечивают расширение интервала температур интенсивной горячей деформации на 60°C. В предлагаемом сплаве температура деформации находится в пределах от 1000°C до 840°C, что составляет 160°C. Для сплава прототипа этот интервал соответствует температурам 980°C-880°C, что составляет 100°C. Наличие в предлагаемом сплаве кремния позволяет сочетать как твердорастворный, так и дисперсионный механизмы упрочнения, а также обеспечивает возможность дополнительного увеличения прочностных характеристик сплава и изделий, выполненных из него путем варьирования режимов обработки.

Увеличение технологического температурного интервала способствует увеличению степени рекристаллизации альфа-фазы при термической обработке, что позволяет повышать степень однородности структуры и механических свойств в изделии, обуславливает снижение себестоимости изготовления деформированных полуфабрикатов и деталей из них, в том числе способом листовой штамповки, обладающих повышенным уровнем прочностных характеристик при температурах до 600°C.

Примеры осуществления

Предлагаемый сплав в виде слитков выплавляли методом двойного вакуумно-дугового переплава. Затем слитки подвергали многопереходной ковке. Полученное изделие (деформированный полуфабрикат - точная штамповка толщиной сечения 25 мм, лист толщиной 1,2 мм) термически обработали по режиму отжига и упрочняющей термической обработки (закалка в воду или масло с последующим старением и охлаждением на воздухе).

Составы предлагаемого сплава (№1-3) и сплава-прототипа №4 приведены в табл. 1. Механические свойства предлагаемого сплава и сплава-прототипа приведены в табл. 2 (штамповки), в табл. 3 (листы). Как видно из табл. 2 и 3 предлагаемый сплав имеет повышенную на 50-100°C рабочую температуру, уровень прочности на 10,5-15,5% в отожженном состоянии с сохранением высоких показателей пластичности (относительного удлинения, сужения). Сплав позволяет дополнительно увеличить уровень прочностных характеристик в интервале рабочих температур не менее чем на 20% по сравнению со сплавом-прототипом.

Использование предлагаемого сплава на основе титана и изделий из него, в том числе деталей компрессора авиационных ГТД - корпусов, колец, проставок, лопаток и др., а также деталей турбин энергетического машиностроения, например лопаток турбины, повысит рабочую температуру до 600°C, снизит себестоимость изделий за счет повышения уровня технологичности при горячей деформации, повысит ресурс работы.

Таблица 1
№ п/п Al Mo Zr V Fe Si Sn Nb O C Cu Ni Mn H Cr W Ti
1 5,0 1,5 1,0 0,4 0,08 0,08 1,5 0,4 0,02 0,008 - - - - - - ост.
2 5,8 2,0 1,9 1,0 0,24 0,18 2,7 0,8 0,12 0,035 - - - - - - “-“
3 6,6 2,5 2,8 1,4 0,40 0,28 3,8 1,2 0,18 0,080 - - - - - - “-“
Прототип 6,7 1,5 2,2 1,8 0,2 - - - - - 0,05 0,01 0,05 0,15 0,05 0,05 “-“
Таблица 2
№ п/п Вид термической обработки Предел прочности при 20°C, МПа Относительное удлинение при 20°C, % Относительное сужение при 20°C, % Предел прочности при 500°C, МПа Предел прочности при 550°C, МПа Предел прочности при 600°C, МПа
1 отжиг 1055 25,5 41,0 700 665 580
закалка и старение 1145 14,5 22,5 785 755 650
2 отжиг 1125 16,5 29,5 725 690 635
закалка и старение 1215 7,4 15,5 810 765 660
3 отжиг 1210 8,8 18,5 785 760 675
закалка и старение 1360 6,7 15,5 850 790 705
4 Прототип, отжиг 955 14,5 31,5 635 590 515
Таблица №3
№ п/п Вид термической обработки Предел прочности при 20°C, МПа Относительное удлинение при 20°C, % Предел прочности при 500°C, МПа Предел прочности при 550°C, МПа Предел прочности при 600°C, МПа
1 отжиг 1105 16,5 725 645 545
закалка и старение 1195 12,5 790 760 600
2 отжиг 1125 14,5 755 695 575
закалка и старение 1205 10,5 830 785 615
3 отжиг 1275 12,0 795 780 590
закалка и старение 1330 6,5 865 825 630
4 Прототип, отжиг 995 11,5 645 595 470

1. Сплав на основе титана, содержащий алюминий, молибден, цирконий, ванадий, железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит олово, ниобий, кремний, кислород, углерод при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Al 5,0-6,6
Mo 1,5-2,5
Zr 1,0-2,8
V 0,4-1,4
Fe 0,08-0,40
Si 0,08-0,28
Sn 1,5-3,8
Nb 0,4-1,2
O 0,02-0,18
C 0,008-0,080
Ti остальное

2. Изделие из сплава на основе титана, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п.1.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению порошка сплава на основе элементов 4 группы периодической таблицы. Может использоваться в пироиндустрии при получении запальных устройств, в качестве газопоглотителей в вакуумных трубках, в лампах, в вакуумной аппаратуре и в установках для очистки газов.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам на основе титана, и может быть использовано в элементах оборудования химических производств, в сварных соединениях судостроения.

Изобретение относится к деформационно-термической обработке сплавов с эффектом памяти формы, в частности сплавов на основе TiNi. Наноструктурный сплав титан-никель с эффектом памяти формы характеризуется структурой из наноскристаллических аустенитных зерен В2 фазы, в которой объемная доля зерен с размером менее 0,1 мкм и с коэффициентом формы зерен не более 2 во взаимно перпендикулярных плоскостях составляет не менее 90%.
Изобретение относится к металлургии, а именно к сплавам на основе титана с высокой коррозионной стойкостью против щелевой и питтинговой коррозии в агрессивных средах, и может быть использовано в свариваемых элементах оборудования: химических производств, оффшорной техники и судостроения.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано в качестве конструкционного материала для изделий авиационной и космической промышленности.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокопрочным титановым сплавам, и может быть использовано в авиационной промышленности. Высокопрочный псевдо-бета титановый сплав содержит, мас.%: 5,3-5,7 алюминия, 4,8-5,2 ванадия, 0,7-0,9 железа, 4,6-5,3 молибдена, 2,0-2,5 хрома, 0,12-0,16 кислорода, остальное титан и примеси и, при необходимости, один или более дополнительных элементов, выбранных из N, С, Nb, Sn, Zr, Ni, Co, Cu и Si, причем каждый дополнительный элемент присутствует в количестве менее 0,1%, и общее содержание дополнительных элементов составляет менее 0,5 мас.%.

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к дисперсно-упрочненным композиционным материалам. .

Изобретение относится к области наноструктурных материалов с ультрамелкозернистой структурой, в частности, двухфазных альфа-бета титановых сплавов, которые могут быть использованы для изготовления полуфабрикатов и изделий в различных отраслях техники, машиностроения, медицины.

Изобретение относится к области спецэлектрометаллургии и может быть использовано при вакуумно-дуговом переплаве базового -TiAl-сплава, который затвердевает через -фазу.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к листам из чистого титана, которые могут быть использованы для изготовления пластин теплообменников. .
Изобретение относится к области металлургии, в частности к способу получения сплавов на основе титана, плавка и разливка которых проводится в вакуумных дуговых гарнисажных печах. Способ получения сплава на основе титана с содержанием бора 0,002-0,008 мас.% включает проведение плавки в вакуумной дуговой гарнисажной печи с расходуемым электродом, не имеющей дополнительного вакуумного порта для введения модифицирующих добавок. Навеску модификатора B4C, завернутую в алюминиевую фольгу, закладывают в отверстие расходуемого электрода, которое высверливают от сплавляемого торца электрода на расстоянии, определяемом в зависимости от времени его расплавления. Получают сплав на основе титана с равноосной структурой и размером зерна менее 15 мкм. 1 табл., 1 пр.

Изобретение может быть использовано для пайки высокотемпературным припоем тугоплавких металлических и/или керамических материалов. Припой выполнен из сплава, содержащего компоненты в следующем соотношении, мас.%: цирконий 45-50, бериллий 2,5-4,5; алюминий 0,5-1,5, титан - остальное. Припой выполнен в виде гибкой ленты и получен сверхбыстрой закалкой сплава путем литья расплава на вращающийся диск. Припой обладает высокими эксплуатационными характеристиками, обеспечивает уменьшение интерметаллидных прослоек в паяном шве. 2 з.п. ф-лы, 11 ил., 1 пр.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к разработке новых нерадиоактивных материалов, и может быть использовано в атомной энергетической промышленности. Сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе титана содержит, вес. %: углерод 0,03-0,10; железо 0,15-0,25; кремний 0,05-0,12; азот 0,01-0,04; алюминий 1,8-2,5; цирконий 2,0-3,0; самарий 0,5-5,0; титан и примеси остальное. Сплав обладает повышенным уровнем поглощения тепловых нейтронов, высокими эксплуатационными и пластическими свойствами. 3 табл., 1 пр.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам на основе гамма-алюминида титана и может быть использовано при получении изделий ответственного назначения, работающих при температурах до 800°C, в частности лопаток газотурбинных двигателей. Способ получения сплава на основе гамма-алюминида титана γ-TiAl, имеющего плотность при комнатной температуре не более 4,2 г/см3, температуру солидуса не менее 1450°C, количество фаз α2 и γ при 600-800°C не менее 20 мас.% и не менее 69 мас.% соответственно, суммарное количество этих фаз не менее 95 мас.%, а содержание ниобия в γ-фазе не менее 3 мас.%, заключается в том, что сплав на основе гамма-алюминида титана γ-TiAl, содержащий ниобий в количестве 1,3, или 1,5, или 1,6 ат.% и переходные металлы, выбранные из хрома в количестве 1,3 или 1,7 ат.% и циркония в количестве 1,0 ат.%, подвергают горячему изостатическому прессованию, совмещенному с термообработкой путем отжига при температуре 800°С и выдержки в течение 100 часов. Сплав обладает низкой плотностью и имеет стабильный фазовый состав при рабочих температурах. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 4 табл., 1 пр.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам получения отливок сплавов на основе гамма алюминида титана, и может быть использовано при получении изделий ответственного назначения, работающих при температурах до 700°C, в частности лопаток газотурбинных двигателей. Способ получения литого сплава на основе гамма алюминида титана для фасонных отливок включает получение смеси порошков, формирование из нее брикета и проведение самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Получают смесь порошков из чистых металлов, содержащую титан, алюминий, ниобий и молибден в количестве, мол.%: алюминий 40-44, ниобий 3-5, молибден 0,6-1,4, титан - остальное. Брикет формируют с относительной плотностью 50-85 % и подвергают его термовакуумной обработке при температуре 550-650°C в течение 10-40 мин, скорости нагрева 5-40°C/мин и давлении 10-1-10-3 Па, а СВС проводят при начальной температуре 560-650°C. Получают отливки заданной конфигурации с высоким уровнем механических свойств при повышенных температурах. 2 ил., 2 табл., 2 пр.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным сплавам на основе алюминида титана Ti3Al, и может быть использовано для изготовления деталей газотурбинных двигателей, силовых установок и агрегатов авиационного, топливно-энергетического и морского назначения. Сплав на основе алюминида титана Ti3Al содержит, мас.%: Al 13-15, Nb 3-6, V 2-4, Zr 0,5-1,0, Mo 1-3, Sn 0,5-3, Si 0,1-0,3, Ti - остальное. Заготовку из сплава на основе алюминида титана Ti3Al подвергают термоводородной обработке путем ее насыщения водородом с последующим отжигом в вакууме. Насыщение заготовки водородом ведут до концентрации 0,4-0,6 мас.% в две стадии, затем заготовку подвергают прокатке. Отжиг в вакууме проводят в две стадии с остаточным давлением не выше 5·10-5 мм рт.ст. Жаропрочный сплав на основе алюминида титана Ti3Al характеризуется высокими показателями пластичности и жаропрочности. 2 н.п. ф-лы, 1 табл.
Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к изготовлению заготовок из титановой губки. Способ изготовления заготовок из титана включает размещение частиц титановой губки в камере пресса, компактирование частиц губки до получения заготовки, ее прессование, удаление загрязнений с поверхности прессованной заготовки, покрытие ее смазкой и последующую прокатку. Перед размещением частиц титановой губки в камере пресса их нагревают в вакуумной нагревательной печи до температуры 700-800°C, легируют водородом до концентрации 0,1-0,9 мас.%, после чего снижают температуру в печи до температуры не ниже 300°C, компактирование ведут при температуре 300-700°С, прессование компактных заготовок осуществляют полунепрерывным методом через матрицу при температуре не выше 700°C с коэффициентом вытяжки не более двух, а затем при температуре не выше 700°C и коэффициенте вытяжки не менее трех, при этом прокатку заготовок проводят при температуре не выше 700°С, после которой осуществляют отжиг в вакууме при температуре не ниже 700°C. Обеспечивается возможность обрабатывать труднодеформируемый титан при более низких температурах, повышаются механические свойства получаемых заготовок. 1 пр.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам на основе титана, используемых для аккумулирования водорода, и может быть использовано в экологически чистых энергетических устройствах. Сплав содержит, мас. %: титан 46,3-48,8; алюминий 0,14-2,87; кальций 0,06-1,24; магний 0,08-1,61; железо - остальное. Уменьшается время активации и увеличивается сорбционная емкость сплава. 1 табл.

Изобретение относится к производству удлиненных изделий из титана, или титанового сплава, или заготовок таких изделий. Для повышения качества изделий и упрощения их производства заявлен способ, который заключается в подготовке массы титана или титанового сплава (10), плавке этой массы посредством электрической дуги и способом гарнисажной плавки (20), литье одного или нескольких слитков преимущественно цилиндрической формы и диаметра менее 300 мм из расплавленной массы (30), а затем волочении одного или нескольких из этих слитков при температуре 800°С-1200°С посредством волочильного стана (40) для применения, например, в области авиации. 12 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к титановым материалам с высокой прочностью и обрабатываемостью. Титановый материал содержит железо 0,60 мас.% или менее и кислород 0,15 мас.% или менее, титан и неизбежные примеси - остальное. Материал имеет нерекристаллизованную структуру, сформированную путем обработки, сопровождающейся пластической деформацией, и рекристаллизованную структуру, сформированную путем отжига после указанной обработки, при этом средний размер рекристаллизованных α-зерен составляет 1 мкм или более и 5 мкм или менее, а площадь нерекристаллизованной части в поперечном сечении титанового материала составляет от более 0 до 30 %. Материал характеризуется высокой прочностью и обрабатываемостью. 2 ил., 2 табл., 45 пр.
Наверх