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	$$C_{Nb}^3$$ , 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.%	$$C_{Nb}^3$$ , 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 (σ_в), предела текучести (σ_0,2) 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.