Сплав на основе гамма алюминида титана

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 сплавам на основе гамма-алюминида титана (γ-TiAl), получаемым методами фасонного литья и предназначенным для получения изделий ответственного назначения, работающих при температурах до 8000°C.

Сплавы на основе алюминида титана TiAl (далее γ-сплавы) представляются одними из наиболее перспективных материалов для получения лопаток газотурбинных двигателей нового поколения, в частности методами фасонного литья [Appel F., Paul J.D.H., and Oehring M «Gamma Titanium Aluminide Alloys: Science and Technology)), Wiley-VCH Verlag & Co. KGaA, 2011, 745 р.]. Эти сплавы должны обладать не только высокими литейными свойствами, но и комплексом разных механических свойств: прочностью, пластичностью, усталостными свойствами, жаропрочностью и др. Особенностью γ-сплавов является высокая чувствительность их фазового состава и, как следствие, эксплуатационных свойств даже к небольшим изменениям концентраций легирующих элементов и к параметрам технологического процесса, в частности к режиму термообработки.

Основное достоинство гамма-сплавов по сравнению с жаропрочными никелевыми сплавами состоит в их более низкой плотности (примерно в 2 раза), что для летательных аппаратов имеет первостепенное значение. С увеличением концентрации алюминия плотность снижается. В частности, для соединения TiAl стехиометрического состава (36 мас.% Al) она составляет 3,8 г/см3. Однако двойной сплав обладает хрупкостью и не позволяет обеспечить необходимый комплекс служебных свойств.

Повысить пластичность гамма-сплавов можно за счет дополнительного легирования ниобием и другими переходными металлами. В частности, известен сплав 48-2-2, содержащий 48 ат.% Al, 2 ат.% Nb, 2 ат.% Cr [Ильин А.А., Колачев Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства. Справочник. M.: ВИЛС-МАТИ, 2009, 520 с]. Этот сплав обладает более высоким комплексом прочностных свойств по сравнению с TiAl, имея достаточно низкую плотность (до 4,1 г/см3). Недостатком этого сплава является низкий солидус (ниже 1450°C), что ограничивает жаропрочность (в частности, предельные рабочие температуры). Кроме того, пластичность этого сплава невысока, что связано с малым количеством альфа-2 (α2) фазы.

Наиболее близким к предложенному является сплав на основе гамма-алюминида титана, раскрытый в патенте US 6524407 (Feb. 25, 2003). Данный сплав содержит 45 ат.% Al, 5-10 ат.% Nb, а также малые добавки углерода и бора, мало влияющие на фазовый состав. Данный сплав обладает высокой прочностью при повышенных температурах. Его главным недостатком является повышенная плотность (около 5 г/см3), что обусловлено высокой концентрацией ниобия.

Задачей изобретения является создание нового сплава на основе гамма-алюминида титана, обладающего сочетанием низкой плотности, достаточно высокой температуры солидуса и имеющего стабильный фазовый состав при рабочих температурах в интервале от 600 до 800°С при содержании альфа-2 (α2) фазы не менее 20 мас.% и концентрации ниобия в гамма-фазе не менее 3 мас.%.

Поставленная задача решена тем, что предложен сплав на основе гамма (γ)-алюминида титана, содержащий ниобий и другие переходные металлы, отличающийся тем, что его плотность при комнатной температуре не превышает 4,2 г/см3, температура солидуса составляет не менее 1450°С, количества фаз альфа-2 (α2) и γ при 600-800°С составляют не менее 20 мас.% и не менее 69 мас.% соответственно, суммарное количество этих фаз составляет не менее 95 мас.%, а концентрация ниобия в γ-фазе составляет не менее 3 мас.%,

В частном исполнении сплав выполнен в виде фасонных отливок.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Заданная плотность сплава обеспечивается малым содержанием ниобия и других переходных металлов. Заданная температура солидуса обеспечивается, главным образом, ограничением по концентрации алюминия - не более 46 мол.%. Заданное количество фаз γ и α2 обеспечивается оптимальным соотношением легирующих добавок и соответствующей термообработкой. Наличие фаз в заявленных пределах при рабочих температурах позволяет получить достаточно дисперсную и однородную структуру, включая малое межпластинчатое расстояние внутри эвтектоидных колоний α2+γ. Это позволяет получить достаточно высокий и стабильный комплекс механических свойств при рабочих температурах. При содержании фазы α2 ниже заявленного значения снижается пластичность. При содержании фазы γ ниже заявленного значения снижаются характеристики жаропрочности. При содержании суммарного количества этих фаз ниже заявленного значения снижаются термическая стабильность механических свойств при рабочих температурах. При концентрации ниобия в γ-фазе менее 3 мас.% снижаются характеристики пластичности и жаропрочности.

ПРИМЕР ВЫПОЛНЕНИЯ

Поскольку рабочие температуры гамма-сплавов достаточно высоки, следует ожидать достижения состояния, близкого к равновесному. Это позволяет проводить количественные оценки с использованием соответствующих диаграмм состояния. На основании расчета с использованием программы Thermo-Calc (база данных TTTIAL, см. www/thermocalc.com) были выбраны сплавы системы Ti-Al-Nb-Cr и Ti-Al-Nb-Zr оптимального состава. В качестве примера в табл.1 приведены параметры фазового состава трех сплавов (1-3), отвечающих изобретению, сравнительно с известными сплавами (4-5)

Таблица 1
Расчетные параметры фазового состава гамма-сплавов
Сплав T w 1 , °C Количество фаз при TW, мас.% T s 2 , °C C N b 3 , мас.%
Состав, ат.% α2 γ α2
1 Ti - 45, 0Al - 1,3 Nb - 1,7 Cr 600 24,7 71,2 95,9 1468 3,5
700 26,3 70,5 96,8 3,5
800 29,0 69,4 98,4 3,6
2 Ti - 45, 5Al - 1,6 Nb - 1,3 Cr 600 22,3 74,8 97,1 1475 4,2
700 25,0 74,3 99,3 4,3
800 26,0 73,5 99,5 4,3
3 Ti - 45, 3Al - 1,5 Nb - 1,0 Zr 600 27,8 72,2 100 1501 4,0
700 28,3 71,7 100 4,0
800 28,9 71,2 100 3,9
4 Ti - 48,0 Al - 2,0 Nb - 2,0 Cr 600 1,1 93,7 94,8 1424 5,0
700 0,7 94,5 95,2 4,9
800 1,1 93,7 94,8 5,0
5 Ti - 45, 0Al - 7,5 Nb 600 21,5 78,5 100 1501 18,1
700 21,7 78,3 100 18,0
800 21,8 78,2 100 17,8
1 - рабочая температура, 2 температура солидуса, 3 концентрация ниобия в фазе γ

Как видно из табл.1, сплавы 1-3 (отвечающие изобретению) и 5 (прототип) в интервале температур 600-800°C имеют требуемые характеристики фазового состава: температура солидуса превышает 1450°C, количество фаз альфа-2 (α2) и γ при 600-800°C составляют не менее 20 мас.% и не менее 69 мас.% соответственно, суммарное количество этих фаз составляет не менее 95 мас.%, а концентрация ниобия в γ-фазе составляет не менее 3 мас.%.

Температура солидуса известного сплава 4 составляет менее 1450°C количество фазы α2 при 600-800°C намного ниже требуемого значения.

Сплав №1-4 были приготовлен в виде отливок в вакуумной плавильно-заливочной установке с медным водоохлаждаемым тиглем. Образцы этих сплавов были подвергнуты термообработке (включая ГИП-обработку), после чего была экспериментально определена их плотность (методом взвешивания на аналитических рычажных весах на воздухе и воде). Как видно из табл.2, плотность сплавов 1-3 ниже 4,2 г/см3. В известном сплаве, выбранном в качестве прототипа, плотность существенно выше требуемого значения.

Таблица 2
Экспериментально определенная плотность гамма-сплавов
Сплав1 D, г/см3
1 4,155
2 4,16
3 4,158
5 4,667
1 см. табл.1

В сплавах 1-3 были экспериментально определены количества фаз на рентгеновском дифрактометре. Съемка проводилась на аппарате ДРОН 2 в медном излучении с длиной волны 1.54178 Å в интервале углов 2θ 10-110°C шагом 0,1°. Концентрацию ниобия в γ-фазе определяли на сканирующем электронном микроскопе JSM-6610LV, укомплектованном энергодисперсионной приставкой-микроанализатором INCA SDD X-MAX производства Oxford Instruments и программным обеспечением INCA Energy. Анализировали образцы, отожженные при 800°C в течение 100 часов. Структура сплавов в основном состояла из эвтектоидных колоний α2+γ (Фиг.1). Как видно из табл.3, экспериментально определенные значения близки расчетным (табл.1).

Таблица 3
Экспериментально определенные параметры фазового состава сплава 1 после выдержки при 800°C в течение 100 часов
Сплав Количество фаз, мас.% C N b 3 , мас.%
α2 γ
1 28,2 70,4 3,8
2 26,7 74,5 4,3
3 27,6 72,3 4,1

Сплав 1 (табл.1) был приготовлен в виде фасонной отливки в форме лопатки (Фиг.2). Отливки были подвергнуты термообработке (включая ГИП-обработку). Затем из них были вырезаны образцы для определения механических свойств на растяжение: временного сопротивление (σв), предела текучести (σ0,2) и относительное удлинение (δ). Испытания проводили при температурах 600-800°C. Из табл.4 видно, что заявленный сплав обладает высокой стабильностью механических свойств, что является следствием стабильности фазового состава при температурах в интервале 600-800°C.

Таблица 4
Механические свойства заявленного сплава (состав 1 в табл.1) при разных температурах
Температура Временное сопротивление (σв), МПа Предел текучести (σ0,2), МПа Относительное удлинение (δ), %
600 725 695 2,8
700 735 690 3,5
800 730 680 4,1

1. 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.%, заключающийся 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.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сплав получают в виде фасонной отливки.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к способу изготовления сварных изделий, преимущественно сварных каркасов искусственных клапанов сердца ИКС. Способ изготовления каркасов искусственных клапанов сердца из технически чистого титана включает сборку и сварку деформированной волочением проволоки и пластины и термическую обработку.

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при изготовлении термомеханической детали турбомашины из бета- или альфа/бета-титанового сплава.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению труб из технически чистого титана с радиальной структурой. Для получения трубы из технически чистого титана с радиальной текстурой изготавливают заготовки в виде колец, деформируют с уменьшением толщины их стенок и увеличением их диаметра, а затем сваривают торцами встык с получением трубы.

Изобретение относится к способам термической обработки литых заготовок из заэвтектоидных интерметаллидных сплавов на основе фаз γ-TiAl и α2-Ti3Al. Способ термической обработки литых заготовок из заэвтектоидных интерметаллидных сплавов на основе фаз γ-TiAl+α2-Ti3Al, затвердевающих полностью через β-фазу, содержащих легирующие элементы, по крайней мере, бор и элементы, стабилизирующие β-фазу, включает охлаждение заготовок от температур β-фазовой области.

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 области металлургии, в частности к способам термообработки отливок сплавов на основе гамма алюминида титана, и может быть использовано при получении изделий ответственного назначения, работающих при температурах до 800°С, в частности лопаток газотурбинных двигателей.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству проволоки волочением, и может быть использовано для нагрева при изготовлении тонкой и тончайшей проволоки из никелида титана.

Изобретение относится к области получения наноструктурированных материалов путем обработки потоком порошковых частиц с использованием энергии взрыва, высокие физико-механические и химические свойства которых позволяют использовать для целей медицины, в том числе имплантатов.

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 области металлургии, а именно к способам обработки титанового сплава для использования в выхлопных системах двигателя внутреннего сгорания.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к разработке новых нерадиоактивных материалов, и может быть использовано в атомной энергетической промышленности.

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.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к способу получения сплавов на основе титана, плавка и разливка которых проводится в вакуумных дуговых гарнисажных печах.
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.
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 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, 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 гсм3, 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.

Наверх