Жаропрочный сплав на основе титана и изделие, выполненное из него


 


Владельцы патента RU 2592657:

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

Изобретение относится к области металлургии, а именно к созданию жаропрочных сплавов на основе титана, используемых для изготовления широкой номенклатуры деформированных полуфабрикатов и деталей. Жаропрочный сплав на основе титана содержит, мас.%: алюминий 10,5-12,5; ниобий 38,5-42,0; молибден 0,5-1,5; ванадий 0,5-1,5; цирконий 1,0-2,5; вольфрам 0,3-1,0; тантал 0,3-1,0; кремний 0,1-0,25; гадолиний 0,02-0,6; титан и примеси - остальное. Сплав характеризуется высокими значениями прочности при комнатной и повышенных температурах до 700°С. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 пр.

 

Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно к созданию жаропрочных сплавов на основе титана, используемых для изготовления широкой номенклатуры деформированных полуфабрикатов и деталей (в том числе лопаток, дисков, проставок, корпусов, листов), которые могут быть использованы в силовых конструкциях авиационной и космической техники, энергетических установок, ракет, длительно работающих при температурах до 700°С. Известен жаропрочный сплав на основе титана, имеющий следующий химический состав, мас. % (см. Патент ЕР №0924308 В1, опубл. 02.05.2002 г.):

алюминий 8,2-11,81
ниобий 31,7-43,8
молибден 0-3,2
тантал 0-6,1
цирконий 0-3,0
кремний 0-0,38
титан остальное

Из известного сплава изготавливают элементы конструкций двигателей, работающих при температуре до 650°С.

Недостатками известного сплава из-за повышенной плотности являются: невысокие значения удельной кратковременной прочности при комнатной температуре и при температуре 650°С, а также длительной прочности при температурах до 650°С. В следствие повышенного окисления известного сплава элементы конструкции имеют ограниченный ресурс.

Известен сплав на основе титана, имеющий следующий химический состав, мас. % (см. Патент РФ №2 405 849, опубл. 10.12.2010 г.):

алюминий 10,5-12,5
ниобий 38,0-42,0
молибден 0,3-0,6
цирконий 1,5-2,5
кремний 0,1-0,25
углерод 0,03-0,08
вольфрам 0,5-1,0
тантал 0,7-1,5
титан остальное

Из известного сплава изготавливают полуфабрикаты для деталей компрессора газотурбинного двигателя. Данный сплав обладает повышенной жаростойкостью при температурах до 700°С.

Недостатками известного сплава являются: повышенная плотность сплава, обусловленная введением «тяжелого» тугоплавкого тантала в количестве до 1,5 мас. %, и недостаточно высокие значения пластичности при комнатной температуре.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является сплав на основе титана, имеющий следующий химический состав, мас. % (см. Патент РФ №2210612, опубл. 20.08.2003 г.):

алюминий 10,0-12,0
ниобий 38,0-42,0
молибден 0,5-1,0
ванадий 1,0-1,5
цирконий 1,0-1,5
кремний 0,1-0,25
углерод 0,05-0,08
титан остальное

Сплав, известный из прототипа, относится к сплавам на основе титана. Он обладает высокими значениями пластических свойств при комнатной температуре, что позволяет изготавливать из него тонкие листы и фольгу, а также различные деформируемые полуфабрикаты.

Недостатками сплава являются низкие значения прочности при комнатной температуре, кратковременной и длительной прочности при повышенных температурах. Рабочая температура сплава ограничена 650°С, что связано с отсутствием таких тугоплавких элементов, как тантал и вольфрам.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание жаропрочного сплава на основе титана, легированного редкоземельными металлами (РЗМ), обладающего повышенной прочностью при температурах 20 и 700°С и предназначенного для изготовления полуфабрикатов широкого сортимента (листы, плиты, прутки, поковки, штамповки) и сложнопрофильных конструкций, в том числе лопаток сложной геометрии.

Технический результат - повышение прочностных характеристик при комнатной и повышенных температурах до 700°С.

Поставленный технический результат достигается с помощью жаропрочного сплава на основе титана, содержащего алюминий, ниобий, молибден, ванадий, цирконий, кремний, дополнительно содержащий вольфрам, тантал и гадолиний, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

алюминий 10,5-12,5
ниобий 38,5-42,0
молибден 0,5-1,5
ванадий 0,5-1,5
цирконий 1,0-2,5
вольфрам 0,3-1,0
тантал 0,3-1,0
кремний 0,1-0,25
гадолиний 0,02-0,6
титан и примеси остальное

Авторами было установлено, что для реализации высокой прочности сплава и конечных изделий из этого сплава необходимо дополнительное введение «бета»-стабилизирующих элементов вольфрама и тантала, обеспечивающих твердофазное упрочнение и стабилизацию фазового состава.

Предпочтительно, суммарное содержание вольфрама и тантала составляет 0,6-1,6 мас. %.

В связи с высокой удельной плотностью «бета»-стабилизирующих элементов вольфрама (19,3 г/см3) и тантала (16,65 г/см3) превышение их суммарного содержания в сплаве более 2,0 мас. % нежелательно, поскольку приводит к повышению плотности сплава и снижению удельных прочностных свойств.

Указанное содержание алюминия в сплаве обеспечивает сочетание прочностных и пластических свойств. Превышение содержания алюминия 12,5 мас. % приводит к увеличению количества α2-фазы и, как следствие, к снижению технологичности сплава.

Отсутствие дополнительного легирования углеродом, который способствует к образованию карбидов, позволяет повысить пластические свойства сплава, а также прочностные характеристики.

Дополнительное легирование гадолинием при заявленном соотношении и содержании компонентов приводит к образованию дисперсных частиц тугоплавких соединений с гадолинием, усиливающих границы зерен, в том числе при высокотемпературных выдержках в процессе деформационной и термической обработки и приводит к повышению прочностных характеристик. Превышение указанного интервала легирования приводит к снижению технологических свойств, в результате выделения большого количества дисперсных частиц. По этой же причине содержание кремния не должно превышать 0,35 мас. %, поскольку происходит образование большого количества силицидов.

Разработанный состав жаропрочного сплава на основе титана в сочетании с упрочняющей двухступенчатой термической обработкой, обеспечивает формирование тонкопластинчатой (Q+β)-структуры с дисперсными частицами α2-фазы и оксидов гадолиния, которые позволяют достичь высоких значений заявленных прочностных и пластических свойств.

Примеры осуществления

Слитки предлагаемого сплава изготавливали по технологии производства титановых сплавов, включающей изготовление расходуемого электрода и выплавку слитков многократным вакуумно-дуговым переплавом для получения однородного химического состава.

Составы предлагаемого сплава (№1-3) и сплава, известного из прототипа (№4), приведены в таблице 1.

Механически обточенные слитки подвергались осадке, всесторонней ковки в обычных или квази-изотермических условиях на плиты. Плиты обтачивались по всем поверхностям «как чисто» и прокатывались на сутунку с целью изготовления лопаточных заготовок. Лопаточные заготовки термически обрабатывались по двухступенчатому режиму, включающему выдержку заготовок в двухфазной (β+α2)-области и трехфазной (Q+β+α2)-области, после чего из них вырезались образцы для механических испытаний. Свойства предполагаемого сплава (№1-3) и сплава, известного из прототипа (№4) представлены в таблице 1.

Предлагаемый сплав превосходит сплав, известный из прототипа по пределу прочности при температуре 20°С на 6-9%, и по пределу прочности при 700°С на 9-12%.

Использование предлагаемого жаропрочного сплава на основе титана позволяет изготавливать детали различного сортамента и сложнопрофильных конструкций, в том числе лопаток сложной геометрии, что позволить снизить их вес за счет более высокого уровня прочности и повысить надежность по сравнению с традиционно применяемыми титановыми сплавами.

1. Жаропрочный сплав на основе титана, содержащий алюминий, ниобий, молибден, ванадий, цирконий, кремний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит вольфрам, тантал и гадолиний, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

алюминий 10,5-12,5
ниобий 38,5-42,0
молибден 0,5-1,5
ванадий 0,5-1,5
цирконий 1,0-2,5
вольфрам 0,3-1,0
тантал 0,3-1,0
кремний 0,1-0,25
гадолиний 0,02-0,6
титан и примеси остальное

2. Жаропрочный сплав на основе титана, отличающийся тем, что суммарное содержание вольфрама и тантала составляет 0,6-1,6 мас.%.

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



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии, а именно к интерметаллидным сплавам на основе титана, предназначенным для изготовления деталей газотурбинного двигателя таких, как лопатки, диски, корпуса и проставки, работающие при повышенных температурах.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам на основе титана, и предназначено для использования в паротурбинных установках и высоконагруженных сварных конструкциях, эксплуатируемых при повышенной температуре.

Изобретение относится к обработке металлов давлением, а именно к способам изготовления особо тонких листов из высокопрочного псевдо-альфа титанового сплава Ti-6,5Al-2,5Sn-4Zr-1Nb-0,7Mo-0,15Si.

Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно к титановым сплавам, полученным из вторичного сырья и обладающим заданными характеристиками прочности и пластичности.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам на основе титана. Высокотемпературный сплав на основе титана содержит, мас.%: алюминий от 4,5 до 7,5; олово от 2,0 до 8,0; ниобий от 1,5 до 6,5; молибден от 0,1 до 2,5; кремний от 0,1 до 0,6; титан - остальное.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к титановым сплавам, и может быть использовано для изготовления конструкций, работающих в агрессивных средах, такой как морская вода, при повышенных температурах.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к крепежным изделиям, выполненным из альфа/бета титанового сплава. Крепежное изделие, выполненное из альфа/бета титанового сплава, подвергнутого горячей прокатке, обработке на твердый раствор и старению, содержащего, мас.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способу термомеханической обработки титана или титанового сплава. Способ включает многоосную ковку с высокой скоростью деформации и регулированием температуры.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам выплавки титановых сплавов и может быть использовано при производстве полуфабрикатов, предназначенных для изготовления деталей газотурбинных двигателей, силовых установок, агрегатов авиационного, топливно-энергетического и морского назначения.

Группа изобретений относится к способу и устройству получения содержащего алюминий и титан сплава - интерметаллида. Способ включает получение сплава из водной суспензии частиц руд, содержащих соединения алюминия и титана.

Изобретение относится к изготовлению сплавов на основе никелида титана, применяемых для медицинских имплантатов. Способ изготовления литых изделий включает переплав металлического полуфабриката индукционной центробежной плавкой в карборундовом тигле. Предварительно проводят выплавку образцов из сплава на основе никелида титана с различными концентрациями легирующей добавки в диапазоне 0,5-2%, испытывают образцы на память формы и сверхэластичность, определяют путем интерполяции оптимальную концентрацию легирующей примеси и с этой концентрацией выплавляют готовое изделие. В качестве металлического полуфабриката используют пористую заготовку, которую готовят диффузионным спеканием в вакууме смеси порошка никелида титана ПН55ПТ45 с легирующей добавкой при температуре 1230-1270°C в течение 0,5-5 минут, после чего подвергают ее холодной обработке давлением до пористости 25-30 об.%. Обеспечивается равномерное распределение легирующей добавки в сплаве. 2 ил.
Изобретение относится к термоводородной обработке полуфабрикатов и изделий из пористого материала на основе титана и его сплавов для медицинских имплантатов. Способ включает термодиффузионное насыщение водородом и вакуумный отжиг. Термодиффузионное насыщение водородом ведут при температуре 700-900°С до концентрации водорода 0,2-0,4 мас.%, а затем при температуре 500-650°С до концентрации водорода 0,5-0,9 мас.%. Вакуумный отжиг ведут при температуре 550-700°С до концентрации водорода не более 0,01 мас.%. Обеспечивается повышение прочностных характеристик пористого материала за счет увеличения доли физических контактов волокон между собой. 2 пр.
Наверх