Сплав на основе титана и изделие, выполненное из него



Сплав на основе титана и изделие, выполненное из него
Сплав на основе титана и изделие, выполненное из него

 


Владельцы патента RU 2614355:

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

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам на основе тинана, и может быть использовано при изготовлении тяжелонагруженных деталей и узлов, работающих при температуре до 600°С. Сплав на основе титана содержит, мас. %: алюминий 6,0-8,0, молибден - 0,4-1,3, олово - 1,5-3,5, цирконий 1,0-5,0, железо - 0,05-0,4, ниобий - 0,4-1,4, кремний - 0,1-0,4, тантал - 0,2-1,0, вольфрам - 0,3-1,3, бериллий - 0,01-0,15, титан - остальное. Сплав характеризуется высокими значениями кратковременной прочности при температурах 20°С и 600°С. 2 н.п. ф-лы, 2 табл., 4 пр.

 

Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно к титановым сплавам, применяемым для изготовления высоконагруженных деталей и узлов, работающих при температурах до 600°С, например для изготовления деформированных полуфабрикатов в виде дисковых и лопаточных заготовок для деталей компрессора газотурбинных двигателей (ГТД).

Из /RU 2039112 Сl, 09.07.1995/ известен сплав на основе титана, имеющий следующий химический состав, мас. %:

алюминий 5,8-6,6
молибден 0,8-1,5
цирконий 2,0-4,0
железо 0,06-0,13
кремний 0,25-0,45
олово 2,5-4,5
ниобий 0,8-2,5
кислород 0,05-0,12
углерод 0,05-0,1
вольфрам 0,35-0,8
титан остальное

Недостатком сплава является относительно низкий уровень прочности в интервале температур от 20 до 550°С и узкий температурный интервал обработки давлением в двухфазной области (≈100°С).

Из /CN 101988167 А, 23.03.2010/ известен сплав на основе титана, имеющий следующий химический состав, мас. %:

алюминий 6,2-6,5
цирконий 3,5-4,0
олово 2,0-2,5
молибден 0,1-0,3
ниобий 0,6-0,9
кремний 0,3-0,4
неодим 0,4-0,8
титан остальное

Недостатком сплава является низкий уровень прочностных свойств при комнатной и повышенных температурах, недостаточный уровень технологической пластичности при обработке давлением, что ограничивает применение сплава лишь сравнительно крупногабаритными поковками и штамповками, изготавливаемыми деформацией при высоких температурах.

Наиболее близким аналогом по составу и назначению является сплав на основе титана, раскрытый в /RU 2507289 С1, 20.02.2014/, который имеет следующий химический состав, мас. %:

алюминий 5,0-6,6
молибден 1,5-2,5
цирконий 1,0-2,8
ванадий 0,4-1,4
железо 0,08-0,40
кремний 0,08-0,28
олово 1,5-3,8
ниобий 0,4-1,2
кислород 0,02-0,18
углерод 0,008-0,080
титан остальное

Недостатком сплава-прототипа является недостаточно высокий уровень прочности при комнатной и повышенных температурах. Высокий уровень пластичности может свидетельствовать о недостаточно высоких эксплуатационных характеристиках при повышенной температуре, в том числе кратковременной и длительной прочности при 600°С, что связано с недостаточной степенью дисперсионного и твердорастворного упрочнения α-и β-твердых растворов сплава.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение уровня кратковременной прочности титанового сплава при температуре 20°С на 4,0-7,5% и при 6000°С на 8,5-11,5% относительно прототипа при сохранении пластичности при 20°С на удовлетворительном уровне.

Для достижения поставленного технического результата предложен сплав на основе титана, содержащий алюминий, молибден, олово, цирконий, железо, ниобий, кремний, при этом он дополнительно содержит тантал, вольфрам и бериллий при следующем соотношении компонентов, мас. %:

алюминий 6,0-8,0
молибден 0,4-1,3
олово 1,5-3,5
цирконий 1,0-5,0
железо 0,05-0,4
ниобий 0,4-1,4
кремний 0,1-0,4
тантал 0,2-1,0
вольфрам 0,3-1,3
бериллий 0,01-0,15
титан остальное

Также предложено изделие, выполненное из этого сплава.

Для достижения высокого уровня комплекса физико-механических свойств (прочности, жаропрочности, термической стабильности и технологичности) в сплав в указанном количестве были введены тантал, вольфрам и бериллий, являющиеся β-стабилизаторами. Данные элементы повышают сопротивление сплава окислению, температуру рекристаллизации и оказывают модифицирующее воздействие, повышающее уровень кратковременной прочности при повышенных температурах.

Сплав содержит близкое для жаропрочных титановых сплавов к предельно возможному количество α-стабилизирующего легирующего элемента (алюминий) и нейтральных упрочнителей (олово, цирконий), позволяющих обеспечить его высокую термостабильность и жаропрочность. Дальнейшее увеличение их количества в сплаве неизбежно приведет к снижению термической стабильности, а уменьшение их количества вызовет падение жаропрочных свойств.

Легирование сплава β-стабилизаторами (молибден, ниобий, тантал, вольфрам, железо) в указанных пределах позволяет повысить за счет твердорастворного упрочнения уровень кратковременной прочности при 20°С и обеспечить необходимый уровень его технологической пластичности при обработке давлением в верхнем температурном интервале (α+β)-области.

Поскольку жаропрочные сплавы в большинстве случаев при рабочей температуре характеризуются метастабильным фазовым составом, существенную роль для них приобретают процессы высокотемпературной диффузии и рекристаллизации. Подавление или замедление этих процессов позволяет повысить не только термостабильность сплава, но и его жаропрочность и жаростойкость. С данной целью в сплав введены Та и W, которые повышают температуру рекристаллизации приблизительно на 50°С и, следовательно, тормозят процессы распада метастабильных структур. Кроме этого, тантал, имея высокое сродство к кислороду, препятствует его диффузии в кристаллической решетке. Также тантал повышает сопротивление сплава проникающему окислению.

Кремний в указанном количестве позволяет реализовать одновременно твердорастворный и дисперсионный механизмы упрочнения благодаря наличию в структуре сплава силицидов. За счет своей высокой термической стабильности силициды позволяют повысить жаропрочность сплава. При меньшем содержании кремния количество силицидов недостаточно для значимого повышения жаропрочности, а при превышении указанного количества образуется слишком большое количество крупных выделений силицидов, снижающих пластичность, технологичность сплава и характеристики его длительной работоспособности.

Микродобавки бериллия обеспечивают модифицирующее воздействие на структуру сплава, что приводит к получению более мелкодисперсной и однородно распределенной в объеме полуфабриката структуры. Введение бериллия в меньшем количестве не оказывает необходимого модифицирующего воздействия. Добавление большего количества бериллия в сплав нецелесообразно, поскольку в данном случае потребуется обеспечить специальные меры по организации производства и защите персонала от его негативного воздействия. По причине очень низкой растворимости бериллия в α-фазе титана введение в сплав бериллия в большем количестве приводит к образованию большого количества частиц интерметаллидов, приводящих к охрупчиванию сплава и снижению его технологичности.

Примеры осуществления

Предлагаемый сплав и сплав-прототип в виде слитков выплавляли методом тройного вакуумно-дугового переплава. Затем слитки подвергали деформационной обработке путем осадки и всесторонней ковки в квазиизотермических условиях на сутунки. Полученные сутунки были подготовлены под прокатку путем строгания по всем поверхностям. После прокатки и резки на полосы они были осажены в квазиизотермических условиях на профилированные заготовки, которые подвергались окончательной термической обработке и испытаниям.

В таблице 1 приведен химический состав выплавленных слитков.

Далее определяли следующие характеристики полученных полуфабрикатов:

- предел прочности и относительное удлинение образцов при температуре 20°С определяли путем проведения испытаний на растяжение по ГОСТ 1497;

- предел прочности и относительное удлинение образцов при температуре 600°С определяли путем проведения испытаний на растяжение по ГОСТ 9651.

В таблице 2 приведены механические свойства предлагаемого сплава и сплава-прототипа.

Как видно из таблицы 2, в предлагаемом сплаве по сравнению со сплавом-прототипом повысился уровень предела прочности при температуре 20°С на 4,0-7,5% и при 600°С на 8,5-11,5% при сохранении пластичности при 20°С на удовлетворительном уровне.

Предлагаемый сплав может быть применен в качестве жаропрочного материала для изготовления деталей (лопаток и дисков) компрессора авиационных газотурбинных двигателей, а также деталей турбин энергетического машиностроения. Изобретение позволит повысить ресурс деталей и весовую эффективность двигателей ГТД за счет более высокого по сравнению с аналогами уровня прочности при рабочей температуре до 600°С.

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

алюминий 6,0-8,0
молибден 0,4-1,3
олово 1,5-3,5
цирконий 1,0-5,0
железо 0,05-0,4
ниобий 0,4-1,4
кремний 0,1-0,4
тантал 0,2-1,0
вольфрам 0,3-1,3
бериллий 0,01-0,15
титан остальное

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



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным сплавам на основе интерметаллидов титана и алюминия, и может быть использовано для изготовления методами литья или обработки давлением изделий, предназначенных для применения в конструкции авиационных газотурбинных двигателей и наземных энергетических установок.

Изобретение относится к металлургии, а именно к сплавам на основе титана для изготовления труб, используемым для теплопередающих элементов водяных парогенерирующих аппаратов атомных энергетических установок, нефтеперерабатывающей и нефтехимических предприятий.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к свариваемым литейным сплавам на основе титана и предназначенным для изготовления фасонных отливок литых и сварных гребных винтов, рабочих колес водометных движителей, насосов.

Изобретение относится к области металлургии, преимущественно к композиционным материалам на основе нитинола, и предназначено для изготовления деталей микромашин и механизмов, медицинских инструментов.

Изобретение относится к изготовлению расходуемого электрода для выплавки слитков титан-алюминиевых сплавов, содержащих 15-63 мас. % алюминия.
1. Способ относится к получению низкомодульного сплава на основе системы титан-ниобий селективным лазерным сплавлением и может найти применение в области аддитивных технологий в медицине в качестве материалов для имплантатов.
Изобретение относится к изготовлению композитных заготовок на основе титана. Способ включает приготовление шихты, содержащей отходы титановых сплавов, и компактирование шихты в заготовки путем прессования.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к титановым сплавам, предназначенным для использования в качестве высокопрочного конструкционного термически упрочняемого материала для изготовления деталей силовых конструкций авиационной и космической техники, энергетических установок, ракет, длительно работающих при температурах до 350°C.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к созданию конструкционных титановых сплавов, предназначенных для изготовления средненагруженных деталей, в том числе для набора планера воздушного судна, работающих длительно при температурах от -70 до +400°С.

Изобретение относится к мелкодисперсному получению порошка титана. Способ включает активирование исходного материала, гидрирование, измельчение полученного гидрида титана, термическое разложение гидрида титана в вакууме и измельчение образовавшегося титанового спека.

Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно к созданию титановых сплавов, предназначенных для использования в качестве высокопрочного конструкционного термически упрочняемого материала. Сплав на основе титана содержит, мас.%: алюминий 1,5-4,5; ванадий 13,5-19,0; хром 2,0-5,0; олово 2,0-4,0; молибден 0,5-2,5; цирконий 0,5-2,5; ниобий 0,01-0,40; иттрий 0,005-0,150; титан и примеси - остальное. Сплав характеризуется высокими значениями пластичности, термической стабильности и предела ползучести в термически упрочненном состоянии при сохранении значений вязкости разрушения. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 табл., 4 пр.
Наверх