СПЛАВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО Российский патент 2005 года по МПК C22C14/00 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к разработке сплавов на основе титана, работающих при повышенных температурах.

Изобретение может быть использовано в авиационной промышленности для изготовления деталей авиационных двигателей (диски, лопатки, кольца и др.), машиностроении и других отраслях промышленности. Известен сплав на основе титана, имеющий следующий химический состав, мас.%:

Алюминий5,35-6,1Цирконий3,25-5,0Олово3,5-4,5Ниобий0,5-1,5Молибден0,15-0,75Кремний0,2-0,6Углерод0,03-0,1ТитанОстальное

(Патент ЕР №0107419).

Известен сплав на основе титана, имеющий следующий химический состав, мас.%:

Алюминий5,5-6,5Цирконий3,5-4,5Олово2,0-4,0Молибден0,3-0,55Кремний0,35-0,55Кислород<0,14Железо<0,03ТитанОстальное

(Патент ЕР №0269196).

Известные сплавы имеют пониженные значения кратковременной прочности при рабочих температурах 500-600°С и термической стабильности - удар с трещиной. Детали авиационных двигателей (диски, лопатки, кольца и др.), изготовленные из известных сплавов, имеют ограниченный ресурс работы при рабочих температурах.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является сплав на основе титана, имеющий состав, мас.%:

Алюминий6,2-7,2Цирконий3,5-4,5Олово2,2-3,5Ниобий0,5-1,5Молибден0,4-1,0Кремний0,1-0,22Углерод0,02-0,1Кислород0,05-0,12ТитанОстальноеПри суммарном содержании алюминия и олова9,2-9,7 мас.%кремния и кислорода0,22-0,25 мас.%

(Патент РФ 2039112).

Сплав-прототип имеет недостаточно высокие значения удельного предела кратковременной прочности при температурах 500-600°С, удельной малоцикловой усталости при осевой нагрузке на базе 10⁴ циклов при температурах 20 и 550°. Детали авиационных двигателей (диски, лопатки, кольца и др.), изготовленные из сплава-прототипа, имеют ограниченный ресурс при температурах выше 500°С.

Технической задачей изобретения является разработка сплава, имеющего удельную длительную прочность и удельную ползучесть на уровне прототипа и обладающего более высокими характеристиками удельной кратковременной прочности при температурах 500-600°С и удельной малоцикловой усталости на базе 10⁴ циклов в интервале рабочих температур 20...600°С, позволяющего повысить надежность работы деталей авиационных двигателей.

Для достижения поставленной технической задачи предложен сплав, включающий алюминий, цирконий, олово, ниобий, молибден, кремний, углерод, кислород, который дополнительно содержит вольфрам и железо, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Алюминий5,8-6,6Цирконий2,0-4,0Олово2,5-4,5Ниобий0,8-2,5Молибден0,8-1,5Кремний0,25-0,45Углерод0,05-0,1Кислород0,05-0,12Вольфрам0,35-0,8Железо0,06-0,13Титаностальное

и изделие, выполненное из него.

Из предлагаемого сплава могут изготавливаться штамповки, поковки, прутки, кольца и детали из них, работающие при температурах 500-600°С.

Авторами установлено, что дополнительное введение вольфрама и железа в сплав на основе титана с заявленными компонентами при одновременном повышении содержания кремния компенсирует потерю кратковременной прочности и малоцикловой усталости, обусловленные снижением концентрации примесей в сплаве. Введение вольфрама и железа в концентрациях, мало превышающих их растворимость в α- титане и одновременно исключающих протекание эвтектоидной реакции, замедляет процессы перераспределения легирующих элементов между α и β-фазами, что повышает термическую стабильность сплава и ресурс.

Повышение содержания кремния в сплаве приводит к частичной замене интерметаллидного упрочнения α₂(Al+Sn) силицидным за счет образования сложных силицидов (TiZr)₅Si₃ и карбосилицидов (TiZr)₃(SiC)₂, которые в виде дисперсных выделений упрочняют сплав, повышая его высокотемпературную удельную кратковременную прочность и малоцикловую усталость на базе 10⁴ циклов в диапазоне температур 20-600°С, сохраняя при этом высокую жаропрочность и сопротивление ползучести.

Примеры осуществления

Слитки предлагаемых сплавов изготавливали по технологии производства титановых сплавов, которая включала изготовление из шихтовых материалов расходуемого электрода и выплавку слитков трехкратным вакуумно-дуговым переплавом. Механически обработанные литые заготовки подвергались ковке и прокатке с целью получения полуфабрикатов - прутков диаметром 25 мм. Прутки подвергались термической обработке: двойному отжигу.

Составы предлагаемого сплава (№1-3) и сплава - прототипа №4 приведены в таблице 1. Свойства предлагаемого сплава и прототипа приведены в таблице 2.

Таблица 1№п/пСодержание компонентов в мас, % AlZrSnNbМоSiСOWFeTi15,82,04.50,80,80,250,050,050,350,06ост26,23,53,51,61,00,350,080,080,50,10ост36,64,02,52,51,50,450,100,120,80,13ост46,74,22,81,00,70,150,070,10--ост

Таблица 2№п/пСвойства при температурах, °С20550600σ_в/ρ, кмσ₀/ρ, км N=10⁴ циклσ_в/ρ, кмσ₀/ρ, км N=10⁴ циклσ_в/ρ, кмσ₁₀₀/ρ, кмσ_0,2/100/ρ, кмобразцы гладкиеобразцы с надрезом r=0,25 ммобразцы гладкиеобразцы с надрезом r=0,25 мм123,821,310,418,614,07,717,57,93,64225,421,810,919,314,68,318,27,953,64325,922,011,320,015,48,618,67,953,66423,819,58,815,812,56,514,17,93,64Примечание: плотность сплавов №№1-4 равна 4,4 г/см³.

Как видно из таблицы 2, предлагаемый сплав имеет удельную длительную прочность (σ₁₀₀/ρ) и удельную ползучесть (σ_0,2/100/ρ) на уровне сплава прототипа и превосходит сплав-прототип по удельной кратковременной прочности (σ_в/ρ) при температурах 500-600°С на 17,1-24,1%, по удельной малоцикловой усталости (σ₀/ρ) при 20 и 50°С: на гладких образцах на 9,2-12%, на образцах с надрезом на 18,2-18,4%, на базе 10⁴ циклов.

Использование предлагаемого сплава за счет повышения удельной кратковременной прочности и удельной малоцикловой усталости позволит снизить вес, повысить ресурс и надежность деталей горячего тракта авиационных двигателей.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к разработке сплавов на основе титана, работающих при повышенных температурах, и может быть использовано в авиационной промышленности для изготовления деталей, например дисков, лопаток, колец, а также в машиностроении. Предложен сплав на основе титана и изделие, выполненное из него. Сплав включает алюминий, цирконий, олово, ниобий, молибден, кремний, углерод и кислород, при этом он дополнительно содержит вольфрам и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: алюминий 5,8 - 6,6, цирконий 2,0 - 4,0, олово 2,5 - 4,5, ниобий 0,8 - 2,5, молибден 0,8 - 1,5, кремний 0,25 - 0,45, углерод 0,05 - 0,1, кислород 0,05 - 0,12, вольфрам 0,35 - 0,8, железо 0,06 - 0,13, титан - остальное. Технический результат - разработка сплава, имеющего меньший вес при заданной кратковременной прочности и удельной малоцикловой усталости, что повысит ресурс и надежность деталей горячего тракта авиационных двигателей. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.

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

Алюминий5,8-6,6Цирконий2,0-4,0Олово2,5-4,5Ниобий0,8-2,5Молибден0,8-1,5Кремний0,25-0,45Углерод0,05-0,1Кислород0,05-0,12Вольфрам0,35-0,8Железо0,06-0,13ТитанОстальное