Высокотемпературный гафнийсодержащий сплав на основе титана

Изобретение относится к области металлургии титановых сплавов и может быть использовано для деталей и узлов ракетных и авиационных двигателей, работающих под высокими нагрузками при температурах до 1000°С, в частности для высокотемпературных изделий газотурбинных двигателей (ГТД). Высокотемпературный гафнийсодержащий сплав на основе титана содержит, мас.%: тантал 16-25, гафний 7-15, хром 3-6,5, цирконий 0,01-0,05, углерод 0,01-0,05, кислород 0,03-0,01, азот 0,008-0,02, водород ≤ 0,005, титан - остальное. Сплав получен методом электронно-лучевой плавки. Сплав имеет высокое значение предела прочности σв до 1200 МПа при температурах до 1000°С, обеспечивается надежность работы титановых изделий. 1 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии титановых сплавов и может быть использовано для деталей и узлов ракетных и авиационных двигателей, работающих под высокими нагрузками при температурах до 1000°С, в частности для высокотемпературных изделий газотурбинных двигателей (ГТД).

Известен жаропрочный и жаростойкий титановый сплав (патент RU 2471879, МПК С22С 14/00), содержащий алюминий, цирконий, вольфрам, гафний, титан, дополнительно делегирован танталом при следующем соотношении компонентов, масс. %:

Алюминий 6,0-7,5;
Цирконий 3,0-5,0;
Вольфрам 6,0-7,5;
Гафний 2,5-4,0;
Тантал 2,5-4,0;
Титан остальное

Однако недостатком этого сплава является то, что он может быть использован для изготовления деталей узлов ракетных двигателей, работающих в условиях высоких нагрузок при температурах до 800°С и не выше.

Наиболее близким является сплав на основе титана, (патент RU 2346998, МПК С22С 14/00, опубл.), содержащий алюминий, молибден, ванадий, хром, железо, цирконий, медь, никель, кислород, углерод, азот, водород, остальное титан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит гафний при следующем соотношении компонентов, масс. %:

алюминий 4,3-6,0
молибден 4,0-5,6
ванадий 4,0-5,6
хром 0,5-1,5

железо 0,5-1,5

цирконий 0,03-0,5
медь 0,003-0,15
никель 0,003-0,15
кислород 0,02-0,2
углерод 0,01-0,1
азот 0,01-0,05
водород 0,003-0,015
гафний 0,03-0,5
титан остальное.

Недостатками этого сплава являются недостаточная жаропрочность, что обусловлено незначительным содержанием гафния. Сплав легирован молибденом и ванадием, ухудшающих технологичность сплава.

Кроме того, изделия, изготовленные из этого сплава, проявляют эффект сверхпластичности в диапазоне 750-800°С, а при температурах выше указанных, теряют свойства жаростойкости и жаропрочности.

Задачей является разработка жаропрочного, жаростойкого с высокой стойкостью к окислению на воздухе сплава на основе титана, обладающего повышенной способностью к деформированию при многосторонней горячей осадке и холодной прокатке, а также достижение возможности термического упрочнения на высокий уровень прочности (σв до 1200 МПа) и структурной стабильности при температурах до 1000°С.

Технический результат заключается в обеспечении надежности работы титановых изделий, а также высокого значения предела прочности (σв до 1200 МПа) при температурах до 1000°С.

Технический результат достигается в высокотемпературном гафнийсодержащем сплаве на основе титана, содержащем гафний, хром, цирконий, кислород, углерод, водород, азот, причем он дополнительно содержит тантал, при следующем соотношении компонентов, масс. %:

Тантал - 16-25
Гафний - 7-15
Хром - 3-6,5
Цирконий - 0,01-0,05
Углерод - 0,01-0,05
Кислород - 0,03-0,01
Азот - 0,008-0,02
Водород ≤0,005

Титан - остальное, при этом он получен методом электронно-лучевого переплава.

Поставленная задача решается тем, что предлагаемый сплав содержит тантал, гафний и повышенное содержание хрома, повышающих температуру рекристаллизации титана.

Гафний, также как цирконий, повышает термическую стабильность структуры сплава, увеличивает предел ползучести, прочность при низких и средних температурах, понижает склонность к хладноломкости и улучшает свариваемость сплавов на основе титана. В жидком и твердом состояниях гафний и титан образуют непрерывные ряды твердых растворов. Кроме этого гафний (с небольшим количеством циркония (Zr)) является «нейтральным» упрочнителем твердого раствора на основе титана, действуя по механизму твердорастворного упрочнения, и проявляет себя как элемент, связывающий углерод, с образованием дисперсной второй фазы и препятствующий образованию карбидов и карбонитридов титана, оставляя его в твердом растворе. Карбидная фаза повышает прочность сплава на основе титана в экстремальных условиях за счет дисперсионного упрочнения. Эффект упрочнения определяется количеством упрочняющей фазы и изменяется в зависимости от температуры. Сплав на основе титана с 7-15 масс. % гафния обладает высокой жаростойкостью, близкой к чистому гафнию.

Тантал образует с титаном непрерывные ряды твердых растворов в жидком и твердом состояниях. Тантал в сочетании с гафнием повышает рабочую температуру титанового сплава. Тантал имеет ограниченную растворимость с титаном в его α-модификации.

Хром имеет ограниченную растворимость как в так и в β-модификациях титана. Легирование титана хромом позволило повысить относительное удлинение при сверхпластичном течении сплава на основе титана почти в два раза. При содержании хрома выше предела растворимости, он образует с титаном интерметаллические соединения.

Из-за высокой структурной чувствительности механических свойств к составу сплавов на основе титана одним из эффективных путей увеличения различных служебных характеристик этих сплавов является выбор основных легирующих элементов и их соотношение, которые влияют на термическую стабильность их структуры при повышенных температурах эксплуатации, фазовый состав и микроструктуру сплавов на основе титана. Прочность титановых сплавов определяется эффектом упрочнения от каждого легирующего элемента.

Легирующие добавки, образующие с металлом-основой твердые растворы замещения, могут на сотни градусов повысить температуру начала рекристаллизации, что повысит температуру эксплуатации изделий, изготовленных из заявленного сплава

Газовые примесные элементы повышают прочность титана. Сплавы, содержащие ≥0,05% азота, не имеют практического применения. При содержании в сплаве на основе титана кислорода <0,5% пластичность титана не ухудшает, однако в титановых сплавах, кислород следует рассматривать как вредную примесь. Углерод относится к слабым упрочнителям, но при содержании его в сплаве >0,2% появляется хрупкая карбидная фаза в виде TiC.. Для повышения технологической деформируемости сплавов на основе титана количество в нем металлических и газовых примесей должно быть не более 3 масс. %.

Для исследования свойств сплава был выплавлен в электронно-лучевой печи методом двойного переплава слиток заявленного состава, в котором химическим анализом стружки, взятой с боковой и торцевых поверхностей слитка, определен плавочный состав, масс. %: соотношении компонентов, масс. %:

Тантал - 16-25
Гафний - 7-15
Хром - 3-6,5
Цирконий - 0,01-0,05
Углерод - 0,01-0,05
Кислород - 0,03-0,01
Азот - 0,008-0,02
Водород ≤ 0,005
Титан - Остальное.

Механические и свойства и сопротивление высокотемпературному окислению определяли на пластинах толщиной 2,0 мм, изготовленных горячей и холодной обработкой давлением слитка сплава предложенного состава на основе титана и полуфабриката и подвергнутых финишной термической обработке при температуре 1000°С после холодной деформации листового материала со степенью обжатия.

Использование заявленного сплава обеспечивает возможность достижения высокой прочности (до 1200 Мпа), термическую стабильность структуры при циклических испытаниях на воздухе при температуре до 1000°С. Высокопрочный гафнийсодержащий сплав на основе титана разработан применительно для высокотемпературных изделий газотурбинных двигателей (ГТД), работающих при высокой температуре в вакууме или окислительной атмосфере.

При кратковременных механических испытаниях разрывного образца при температуре 1000°С и скорости деформирования 1 мм/мин проявилась сверхпластичность, при этом поверхность приобрела незначительный желтый оттенок за счет образования на поверхности окисной пленки сложного состава. Тантал и гафний обеспечили высокую жаропрочность и жаростойкость сплава на основе титана. Сверхпластичность сплава обеспечивается благодаря малому размеру зерна, высокой плотности дефектов кристаллической решетки и образованию двухфазной структуры.

Таким образом, заявленный сплав обладает высокой способностью к деформированию при горячей и холодной обработке давлением, жаропрочностью, жаростойкостью и структурной стабильностью.

Высокотемпературный гафнийсодержащий сплав на основе титана, содержащий гафний, хром, цирконий, кислород, углерод, азот, водород, отличающийся тем, что он дополнительно содержит тантал, при следующем соотношении компонентов, масс. %:

Тантал 16-25
Гафний 7-15
Хром 3-6,5
Цирконий 0,01-0,05
Углерод 0,01-0,05
Кислород 0,01-0,03
Азот 0,008-0,02
Водород ≤0,005
Титан Остальное

при этом он получен методом электронно-лучевого переплава.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к металлургии, а именно к коррозионно-стойким жаропрочным сплавам для деталей горячего тракта газотурбинных двигателей и установок, работающих в агрессивных средах до 750-1000°С.

Группа изобретений относится к геттерному устройству для сорбции водорода и монооксида углерода. Геттерное устройство содержит композицию порошков неиспаряемого геттерного сплава, которая содержит цирконий, ванадий, титан и алюминий.

Сплав // 2663950
Изобретение относится к области металлургии и касается составов сплавов, которые могут быть использованы для изготовления деталей песчаных насосов, мельниц. Сплав включает, мас.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сварному соединению. Сварное соединение, полученное путем сварки в несколько проходов основного материала с использованием сварочного материала, характеризующееся тем, что сварочный материал имеет химический состав, в мас.%: C от 0,01 до 0,15, Si до 4,0, Mn от 0,01 до 3,5, P до 0,03, S до 0,015, Cr от 15,0 до 35,0, Ni от 40,0 до 70,0, Cu от 0,01 до 4,0, N от 0,005 до 0,1, O до 0,03, железо и примеси - остальное, а основной материал, имеющий химический состав, в мас.%: C от 0,03 до 0,075, Si от 0,6 до 2,0, Mn от 0,05 до 2,5, P до 0,04, S до 0,015, Cr больше 16,0 и менее 23,0, Ni от 20,0 до менее 30,0, Cu от 0,5 до 10,0, Mo до менее 1, Al до 0,15, N от 0,005 до 0,20, O до 0,02, железо и примеси – остальное.

Изобретение относится к области металлургии и касается составов сплавов, которые могут быть использованы для изготовления колосников, охлаждающих рам печей, дистанционных гребенок паровых котлов, зубьев и гребков колчеданных печей.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к легкообрабатываемым, высокопрочным сплавам, которые могут быть использованы для изготовления деталей газотурбинных двигателей.

Сплав // 2647054
Изобретение относится к области металлургии и касается составов сплавов, которые могут быть использованы для изготовления деталей песчаных насосов, мельниц. Сплав включает, мас.%: углерод 3,0-3,6; хром 55,0-60,0; ниобий 0,1-0,2; бор 0,1-0,2; железо - остальное.

Сплав // 2647053
Изобретение относится к области металлургии и касается составов сплавов, которые могут быть использованы для изготовления деталей песчаных насосов, мельниц. Сплав включает, мас.

Сталь // 2647052
Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к составам сталей, которые могут быть использованы в производстве насосно-компрессорного оборудования.

Изобретение относится к области металлургии, а именно никель-кобальтовым сплавам. Ni-Co сплав содержит, вес.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при производстве сплава Ti-Al с низким содержанием кислорода. Способ осуществляют в охлаждаемом водой медном сосуде плавлением сплава Ti-Al, содержащего не меньше 40 мас.% Al и полученного с использованием материала сплава, состоящего из титанового материала и алюминиевого материала, причем этот материал сплава содержит кислород в общем количестве 0,1 мас.% или больше, а раскисление осуществляют путем выдержки в атмосфере с давлением не менее 1,33 Па.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к титановым сплавам с высокой коррозионной стойкостью, и может быть использовано для производства компонентов системы производства и/или извлечения нефти и газа.

Изобретение относится к метрологии, в частности к способам определения механических и физических свойств титановых сплавов. Способ выбора титанового сплава для ультразвукового волновода заключается в том, что определяют механические и физические свойства и структуру сплавов, при этом определяют предел прочности на разрыв σВ, предел текучести σ0,2, скорость звука в двух взаимно перпендикулярных направлениях и выбирают сплав с пределом прочности на разрыв не менее 1200 МПа, отношением σ0,2/σВ в пределах 0,9-0,95, скоростью звука не менее 6150 м/с в обоих направлениях и различием скоростей не более чем на 50 м/с.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к титановым сплавам, и может быть использовано для изготовления деталей воздушного судна. Титановый сплав содержит, мас.%: алюминий 0,5-1,6, ванадий 2,5-5,3, кремний 0,1-0,5, железо 0,05-0,5, кислород 0,1-0,25, углерод до 0,2, титан и случайные примеси - остальное, при этом он имеет предел текучести 550-850 МПа, предел прочности на растяжение 600-900 МПа, баллистическую стойкость к ударным нагрузкам при баллистическом пределе V50, составляющую более 120 м/с и обрабатываемость при производительности токарной обработки V15 выше 125 м/мин.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокопрочным титановым сплавам, имеющим высокую удельную прочность. Высокопрочный титановый сплав с альфа-бета-структурой содержит, мас.%: Аl 4,7-6,0, V 6,5-8,0, Si 0,15-0,6, Fe ≤0,3, O 0,15-0,23, Ti и случайные примеси – остальное.

Изобретение относится к получению пористого сплава на основе никелида титана. Способ включает спекание шихты из порошка никелида титана марки ПВ-Н55Т45С в электровакуумной печи.

Изобретение относится к области металлургии и касается составов сплавов на основе титана, которые могут быть использованы в машиностроении. Сплав на основе титана содержит, мас.%: алюминий 1,5-3,0; молибден 10,0-12,0; медь 0,5-1,5; кремний 0,15-0,3; хром 3,5-4,3; ниобий 1,0-2,0; рутений 4,0-4,5; титан - остальное.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам сплавов на основе титана, которые могут быть использованы для изготовления деталей летательных аппаратов, труб, морской арматуры, насосов, компрессоров.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к титансодержащему материалу, и может быть использовано для изготовления сепаратора топливной ячейки. Титансодержащий материал для сепаратора топливной ячейки содержит титановый основной материал, состоящий из титана или титанового сплава и содержащий гидрид титана слой на титановом основном материале и оксид титана слой на упомянутом содержащем гидрид титана слое.
Изобретение относятся к получению пористого изделия из быстрозакаленного порошка титана и его сплавов. Способ включает наводороживание порошков, спекание в вакууме и охлаждение до комнатной температуры.

Изобретение относится к области металлургии титановых сплавов и может быть использовано для деталей и узлов ракетных и авиационных двигателей, работающих под высокими нагрузками при температурах до 1000°С, в частности для высокотемпературных изделий газотурбинных двигателей. Высокотемпературный гафнийсодержащий сплав на основе титана содержит, мас.: тантал 16-25, гафний 7-15, хром 3-6,5, цирконий 0,01-0,05, углерод 0,01-0,05, кислород 0,03-0,01, азот 0,008-0,02, водород ≤ 0,005, титан - остальное. Сплав получен методом электронно-лучевой плавки. Сплав имеет высокое значение предела прочности σв до 1200 МПа при температурах до 1000°С, обеспечивается надежность работы титановых изделий. 1 табл.

Наверх