Сплав на основе интерметаллида титана и изделие, выполненное из него
Владельцы патента RU 2606368:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU)
Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам на основе интерметаллидов титана и алюминия с рабочими температурами не выше 825°C, изделия из которых могут быть использованы в конструкции авиационных газотурбинных двигателей и наземных энергетических установок. Заявлены варианты сплавов на основе гамма-алюминида титана. Сплав на основе гамма-алюминида титана содержит, мас.%: алюминий 30,0-35,0, ванадий 0,7-3,5, ниобий 1,2-6,0, цирконий 1,2-3,5 или хром 2,0-3,5, гадолиний 0,2-0,6, бор 0,003-0,03, титан - остальное. Сплавы характеризуются высокими значениями предела текучести при температуре 20°C, длительной прочности (за 100 часов) при температуре 800°C, а также низкой склонностью к образованию ликвационной неоднородности химического состава. 4 н.п. ф-лы, 2 табл., 6 пр.
Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно к сплавам на основе интерметаллидов титана и алюминия с рабочими температурами не выше 825 градусов Цельсия, изделия из которых могут быть использованы в конструкции авиационных газотурбинных двигателей и наземных энергетических установок.
Известен сплав на основе алюминида титана TiAl (US 4879092 А, C22C 14/00, опубл. 07.11.1989), имеющий следующий химический состав, мас. %:
| алюминий | 30,5-35,5 |
| хром | 1,3-4,1 |
| ниобий | 2,4-11,7 |
| титан | остальное |
Из известного сплава изготавливаются детали газотурбинных двигателей (лопатки турбины низкого давления), работающие при температурах до 750 градусов Цельсия (Kothari et al. // Progress in Aerospace Sciences. 2012. T. 55. C. 1-16). Данный сплав обладает сбалансированным комплексом литейных и технологических свойств, однако имеет существенные недостатки: сравнительно низкий предел длительной (за 100 часов) прочности при рабочих температурах (без дополнительной термической обработки) и низкую стойкость к окислению (жаростойкость) при температурах выше 600 градусов Цельсия, что требует применения защитных покрытий.
Известен сплав на основе алюминида титана TiAl (JP 10060564 А, C22C 14/00, опубл. 03.03.1998), имеющий следующий химический состав, мас. %:
| алюминий | 28,2-31,9 |
| ниобий | 11,0-19,7 |
| кобальт | 0,7-2,8 |
| хром | 1,2-2,5 |
| тантал | 1,2-3,5 |
| титан | остальное |
Данный сплав обладает хорошей термической стабильностью структуры и удовлетворительной жаростойкостью. К недостаткам сплава можно отнести крайне низкую пластичность при температуре 20 градусов Цельсия (относительное удлинение не превышает 1%).
Известен сплав на основе алюминида титана TiAl (US 6294132 B1, C22C 14/00, опубл. 25.09.2001), имеющий следующий химический состав, мас. %:
| алюминий | 29,1-31,6 |
| ниобий | 15,5-17,9 |
| хром | 1,2-2,5 |
| кремний | 0,1-0,3 |
| никель | 0,4-2,8 |
| иттрий | 0,02-0,11 |
| титан | остальное |
Основным недостатком известного сплава является повышенная вследствие высокого содержания ниобия плотность (на 20% по сравнению с нелегированным интерметаллидом TiAl) и, как следствие, низкие удельные свойства.
Наиболее близким аналогом предлагаемому новому сплаву по технической сущности и достигаемому эффекту является сплав на основе титана (RU 2191841 С2, C22C 14/00, опубл. 27.10.2002), принятый за прототип, содержащий алюминий, хром, ниобий, молибден, цирконий, кремний, углерод, олово и титан, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
| алюминий | 34,0-35,5 |
| хром | 1,0-2,0 |
| ниобий | 2,5-3,5 |
| молибден | 0,3-1,2 |
| цирконий | 0,5-1,5 |
| кремний | 0,2-0,3 |
| углерод | 0,08-0,12 |
| олово | 0,05-0,10 |
| титан | остальное |
Сплав-прототип имеет следующие недостатки:
- высокую склонность к ликвации вследствие большого числа легирующих элементов, отличающихся температурами плавления, атомными массами, строением электронных оболочек атомов, а также взаимным химическим сродством;
- низкие значения пределов статической прочности и текучести при температуре 20 градусов Цельсия (предел текучести не превышает 465 МПа).
Технической задачей изобретения является создание жаропрочного интерметаллидного сплава на основе гамма-алюминида титана TiAl, обладающего сбалансированным комплексом физико-механических, технологических и эксплуатационных характеристик, из которого возможно изготовление изделий в виде фасонных отливок методом литья в керамические формы по выплавляемым моделям.
Техническим результатом изобретения является повышение предела текучести при температуре 20 градусов Цельсия, повышение предела длительной прочности (за 100 часов) при температуре 800 градусов Цельсия, а также снижение склонности к образованию ликвационной неоднородности химического состава.
Для достижения технического результата предлагается сплав на основе гамма-алюминида титана, содержащий алюминий, ниобий, бор и титан, при этом сплав дополнительно содержит ванадий, цирконий и гадолиний, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
| алюминий | 30,0-35,0 |
| ванадий | 0,7-3,5 |
| ниобий | 1,2-6,0 |
| цирконий | 1,2-3,5 |
| гадолиний | 0,2-0,6 |
| бор | 0,003-0,03 |
| титан | остальное |
Изделие, выполненное в виде фасонной отливки, причем оно выполнено из сплава на основе гамма-алюминида титана.
Кроме того, предлагается сплав на основе гамма-алюминида титана, содержащий алюминий, ниобий, бор и титан, при этом сплав дополнительно содержит ванадий, хром и гадолиний, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
| алюминий | 30,0-35,0 |
| ванадий | 0,7-3,5 |
| ниобий | 1,2-6,0 |
| хром | 2,0-3,5 |
| гадолиний | 0,2-0,6 |
| бор | 0,003-0,03 |
| титан | остальное |
Изделие, выполненное в виде фасонной отливки, причем оно выполнено из сплава на основе гамма-алюминида титана.
Содержание алюминия в предлагаемых сплавах соответствует теоретически и экспериментально установленному авторами концентрационному интервалу в области существования основной интерметаллидной фазы - γ(TiAl), который отвечает оптимальному интервалу кристаллизации расплава.
Ванадий и хром вводятся в сплавы с целью повышения пластичности при нормальной температуре за счет стабилизации β-фазы, более пластичной, чем γ- или α2-фазы. Содержание ванадия и хрома ограничено на уровне не более 3,5 мас. % - это позволяет, как было обнаружено авторами экспериментально, обеспечить приемлемые значения пластичности (относительного удлинения) при температуре 20 градусов Цельсия на уровне 1,0-1,4%. Экспериментально также было установлено, что замена ванадия в сплаве на марганец, как, например, в US 5354351 А (C22C 14/00, опубл. 11.10.1994), US 5429796 А (C22C 32/00, опубл. 04.07.1995) и ЕР 1127949 А2 (C22C 21/00, опубл. 29.08.2001) привела бы к снижению пластичности и удельной прочности (за счет большей плотности марганца).
Ниобий вводится в сплавы с двойной целью, во-первых, этот элемент эффективно повышает жаропрочность и жаростойкость, а во-вторых, ниобий, являясь бета-стабилизатором, расширяет область существования β-фазы и снижает температуру трансуса α-фазы, что положительно сказывается на технологичности сплава при температурах обработки. Содержание ниобия ограничено в интервале 1,2-6,0 мас. % в целях сохранения баланса между абсолютными и относительными (удельными) характеристиками кратковременной и длительной прочности (увеличение содержания ниобия выше 6,0 мас. % приводит к существенному повышению плотности сплава и, как следствие, к проигрышу по удельным характеристикам). Снижение содержания ниобия ниже выбранного нижнего предела легирования (<1,2 мас. %), как было установлено авторами экспериментально, не позволяет обеспечить преимущество по уровню предела текучести предлагаемого сплава по сравнению со сплавом-прототипом.
Цирконий относится к нейтральным упрочнителям и вводится для повышения прочностных характеристик и модуля упругости сплава за счет повышения металлической составляющей межатомных связей в фазах на основе интерметаллидов.
Гадолиний и бор являются модификаторами расплава и необходимы для формирования как можно более тонкопластинчатой литой структуры «γ(TiAl)+α2(Ti3Al)» за счет повышения гетерогенной скорости зарождения частиц α2-фазы на частицах боридных фаз при наличии микродобавок бора в количестве от 0,003 до 0,03 мас. %. Кроме того, авторами экспериментально был выявлен дополнительный положительный эффект от введения гадолиния в пределах от 0,2 до 0,4 мас. %, а именно выделение в сплаве сложных фаз, обогащенных гадолинием и кислородом (оксиды гадолиния), которые также могут содержать титан и алюминий в стехиометрическом соотношении эквиатомного интерметаллида TiAl. Оксидные фазы выделяются вследствие склонности гадолиния к внутреннему окислению из-за большого химического сродства к кислороду. Примесные атомы кислорода, находясь преимущественно на границах бывшего β(α)-зерна, тормозят дислокации и препятствуют их перемещению от одного зерна к другому, что существенно затрудняет протекание деформационных процессов, поэтому связывание атомов кислорода в оксидные соединения, и, как следствие, освобождение границ зерен способствует повышению пластичности сплава.
Экспериментально было установлено, что структура предлагаемого сплава в литом состоянии представлена двумя основными фазами: γ(TiAl) - до 90 об. %, и α2(Ti3Al) - до 7 об. %; возможно содержание β-фазы в количестве до 5 об. %, а также сложных оксидных фаз в следовом количестве. Морфология микроструктуры - пластинчатая с поперечным размером колоний до 70 мкм; толщина отдельных пластин при этом составляет 1-4 мкм, что наряду с хорошо различимыми границами бывшего β(α)-зерна свидетельствует о большом числе независимых центров зарождения и роста частиц в связи с введением в композицию сплава модифицирующих добавок гадолиния и/или бора.
Примеры осуществления.
Многократным переплавом в вакуумной дуговой печи (ВДП) с расходуемым электродом были получены слитки цилиндрической формы из сплавов на основе гамма-алюминида титана с различным соотношением компонентов в установленных пределах легирования. Масса каждого слитка составляла от 23 до 25 кг, диаметр 160 мм; составы предлагаемого сплава (1-6) и известного сплава-прототипа (7), раскрытого в RU 2191841, приведены в таблице 1.
Выплавленные слитки разрезали вдоль основной оси на четыре одинаковых сектора, каждый из которых переплавляли в вакуумной индукционной печи (ВИП) с секционным медным водоохлаждаемым тиглем, и методом центробежного литья по выплавляемым моделям в керамические формы получали изделия в виде фасонных отливок. Полученные отливки подвергали горячему изостатическому прессованию (ГИП) при температурах 1250-1400 градусов Цельсия под давлением 150-200 МПа в течение 2-4 часов для удаления возможной микропористости.
После ГИП из отливок вырезали цилиндрические образцы для проведения испытаний с целью определения следующих характеристик:
- предела кратковременной прочности при статических испытаниях на растяжение по ГОСТ 1497;
- предела текучести (условного) при статических испытаниях на растяжение по ГОСТ 1497;
- предела длительной (за 100 часов) прочности при статических испытаниях на растяжение при повышенной температуре (800 градусов Цельсия) по ГОСТ 10145;
- химической неоднородности, макросегрегации (ликвации).
Значения характеристик механических свойств предлагаемого сплава и известного сплава-прототипа приведены в таблице 2.
Как видно из таблицы 2, значения предела текучести предлагаемого сплава по сравнению со сплавом-прототипом при температуре испытаний 20 градусов Цельсия повысились на 5-10%, а длительная прочность при температуре испытаний 800 градусов Цельсия повысилась на 10-40% в зависимости от количественного соотношения компонентов в предлагаемом сплаве при сохранении качественного состава.
Анализ химического состава проб, взятых из трех основных объемов отливки (замковая часть, середина и вершина пера), показал наличие минимальных отклонений содержания основных легирующих элементов, которые максимально отличаются друг от друга по атомной массе и плотности, от номинального состава (не более 0,7 мас. % по алюминию; не более 0,4 мас. % по ниобию), что свидетельствует о высокой степени химической однородности и отсутствии ликвационных эффектов и макросегрегации.
Использование предлагаемого сплава позволит повысить надежность выполненных из него изделий за счет меньшей склонности к ликвационной неоднородности и более высоких значений прочностных характеристик, а также повысить ресурс и рабочие температуры изделий с 700-750 до 800 градусов Цельсия за счет более высокой длительной прочности, которая обеспечивается качественным и количественным составом предлагаемого сплава.
1. Сплав на основе гамма-алюминида титана, содержащий алюминий, ниобий, бор и титан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит ванадий, цирконий и гадолиний, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| алюминий | 30,0-35,0 |
| ванадий | 0,7-3,5 |
| ниобий | 1,2-6,0 |
| цирконий | 1,2-3,5 |
| гадолиний | 0,2-0,6 |
| бор | 0,003-0,03 |
| титан | остальное |
2. Изделие в виде фасонной отливки, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава на основе гамма-алюминида титана по п. 1.
3. Сплав на основе гамма-алюминида титана, содержащий алюминий, ниобий, бор и титан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит ванадий, хром и гадолиний, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| алюминий | 30,0-35,0 |
| ванадий | 0,7-3,5 |
| ниобий | 1,2-6,0 |
| хром | 2,0-3,5 |
| гадолиний | 0,2-0,6 |
| бор | 0,003-0,03 |
| титан | остальное |
4. Изделие в виде фасонной отливки, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава на основе гамма-алюминида титана по п. 3.
