ЖАРОПРОЧНЫЙ ТИТАНОВЫЙ СПЛАВ Российский патент 2010 года по МПК C22C14/00 

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 750-800°C.

При изготовлении указанных конструкций необходимо учитывать следующие требования:

- сплав, из которого изготавливается конструкция, должен обладать достаточно стабильным фазовым составом, чтобы избежать охрупчивания в процессе длительного нагружения и обеспечить высокую прочность и сопротивление ползучести при повышенных температурах;

- сплав должен обладать достаточной жаростойкостью при повышенных температурах.

Известен титановый сплав (патент РФ №533050 от 14.08.75, МПК: C22C 14/00). Его химический состав, мас.%:

Алюминий 6,0-7,0 Молибден 3,5-4,5 Цирконий 3,0-4,5 Олово 1,0-2,5 Вольфрам 0,5-1,5 Кремний 0,1-0,3 Титан остальное

Недостатком этого сплава является недостаточно высокая жаропрочность для деталей и узлов двигателей (он может применяться до температур 500-550°C) и низкая жаростойкость (сплав интенсивно окисляется, начиная с температуры 450°C).

Известен титановый сплав ВТ18У (Б.А.Калачев, В.И.Елагин, В.А.Ливанов Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. - М.: МИСиС, 2005 г., с.217), достаточно широко применяемый в авиационной промышленности для лопаток, дисков компрессоров двигательных установок, имеющий следующий химический состав, мас.%:

Алюминий 6,2-7,3 Молибден 0,4-1,0 Цирконий 3,5-4,5 Ниобий 0,5-1,0 Кремний 0,05-0,2 Олово 2,0-3,0 Титан остальное

Деформируемый жаропрочный титановый сплав является сплавом на основе α-фазы (псевдо-α-сплавом). Сплав выплавляется в вакуумной дуговой печи методом двойного переплава. Сплав работоспособен до температуры 650°C при длительной эксплуатации. Существенным недостатком сплава из-за высокого содержания алюминия является его термическая нестабильность в процессе выдержки при рабочей температуре, что приводит к снижению пластических свойств металла, более низкая технологическая пластичность при горячей деформации, особенно в литом состоянии, по сравнению с другими титановыми сплавами и низкая жаростойкость: сплав начинает интенсивно окисляться при нагреве выше 500°C.

Известен титановый сплав, принятый за прототип (патент РФ №1804139 от 17.04.91, МПК: С22С 14/00), содержащий, мас.%:

Алюминий 5,5-6,5 Цирконий 19,5-22,5 Молибден 3,0-4,5 Празеодим 0,01-0,02 Гафний 0,005-0,3 Олово 0,2-3,5 Вольфрам 0,5-1,5 Титан остальное

Заявленный сплав имеет высокий уровень прочности и пластичности при комнатной температуре. Известный титановый сплав получен литейным способом и предназначен для изготовления фасонного литья, поскольку преимущество титановых сплавов как конструкционных материалов в наибольшей степени реализуется при высоком уровне прочности. Сплав выплавляется в вакуумно-дуговой гарниссажной печи. Хотя сплав содержит вольфрам и гафний, но имеет низкую жаропрочность, склонен к охрупчиванию при длительных нагревах из-за высокого содержания циркония.

Задачей предлагаемого изобретения является создание технологичного высокожаропрочного и жаростойкого титанового сплава, работоспособного до температуры 750°C при длительном нагружении и до 800°C при кратковременном нагружении.

Технический результат заключается в обеспечение надежности работы титановых деталей изделий при температурах до 800°C, в улучшении весовых характеристик узлов изделий, работающих при температурах 750-800°C, в 1,5-2 раза за счет замены аналогичных высоконагруженных деталей из жаропрочных никелевых сплавов титановыми.

Поставленная задача достигается тем, что жаропрочный титановый сплав, содержащий алюминий, цирконий, вольфрам, гафний, титан, получен в вакуумно-дуговой печи, при этом для обеспечения сбалансированности химического и фазового составов предлагаемого сплава содержание алюминия Al и вольфрама W должно удовлетворять следующему неравенству: |% W-% Al|≤0,5%. Наилучшие результаты жаропрочного титанового сплава достигаются при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Алюминий 5,0-7,5 Цирконий 3,0-5,0 Вольфрам 5,0-7,5 Гафний 0,005-0,2 Титан остальное

Жаропрочный титановый сплав получен методом двойного переплава.

Сплав выплавлялся методом двойного переплава в вакуумно-дуговой печи. Для экспериментальной проверки заявляемого состава были выплавлены несколько композиций сплава в виде слитков, из которых были изготовлены кованые прутки d=16 мм, отожженные затем при температуре 800°C в течение одного часа с последующим охлаждением на воздухе.

Из прутков были изготовлены образцы для механических испытаний при нормальных и повышенных температурах, а также образцы для оценки жаростойкости, которая определялась с помощью дериватографа по максимальной температуре, до которой не наблюдалось окисление металла (по привесу).

В таблице представлены результаты проведенных испытаний на растяжение, ударный изгиб, длительную прочность, ползучесть и жаростойкость разработанной композиции сплава. Для сравнения приведены данные для прототипа, аналога титанового сплава ВТ18У и композиций с уровнем легирования ниже и выше, чем для разработанного сплава.

Из таблицы следует, что сплав предлагаемого состава (4-8) заметно превосходит известные титановые сплавы по уровню прочности и жаропрочных характеристик при температурах 750-800°C, а также по стойкости против окисления: максимальная температура нагрева без окисления >800°C против 500°C. Одновременно сплав обеспечивает достаточно высокий уровень пластических и вязких свойств, что обусловливает его надежную работу в высоконагруженных конструкциях. Сплав, соответствующий составу п.9, обладает низкими пластическими свойствами.

Использование заявленного технического решения позволит:

- улучшить весовые характеристики узлов изделий, работающих при температурах 750-800°C, в 1,5-2 раза за счет замены высоконагруженных деталей из жаропрочных никелевых сплавов;

- обеспечить надежность работы титановых деталей изделий при температурах до 800°C за счет исключения процесса проникающего окисления металла.

Результаты проведенных испытаний сплавов № п/п Композиция сплава Температура испытания, °C Макс. т-ра нагрева без окисления, °C 20 750 800 σ_0,2, МПа σ_B, МПа δ, % ψ, % KCU, Дж/см2 σ_B, МПа σ₁₀₀, МПа σ₁₀₀, ε<1% МПа σ_B, МПа σ_2, МПа σ₂, ε<1% МПа 1 ВТ18У 932-1128 981-1177 8-11 25-45 20-40 (700) 373 (650) 186 (650) 98 137 - - 500 2 прототип 1110-1135 1205-1220 5,9-6,0 - 23-24 - - - - - - - 3 Ti-4,7 Al-2,5 Zr-4,8 W-0,004 Hf 1009 1068 16 39 30 440 189 124 245 141 108 780 4 Ti-5,1 Al-3,2 Zr-5,3 W-0,008 Hf 1078 1128 16 36 31 481 206 147 343 176 137 800 5 Ti-5,4 Al-3,5 Zr-5,6 W-0,1 Hf 1099 1164 15 36 30 500 218 148 356 176 139 816 6 Ti-6,0 Al-4,5 Zr-6,0 W-0,12 Hf 1147 1226 13 31 30 517 228 166 370 194 155 830 7 Ti-6,7 Al-5,0 Zr-7,0 W-0,15 Hf 1164 1280 8 20 27 544 239 172 390 204 168 846 8 Ti-7,2 Al-5,0 Zr-7,3 W-0,19 Hf 1226 1324 6 11 25 569 248 177 412 216 187 861 9 Ti-7,7 Al-5,5 Zr-7,8 W-0,24 Hf 1324 1373 4 7 20 611 238 189 441 234 206 890

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 750-800°С. Заявлен жаропрочный титановый сплав. Сплав содержит, мас.%: алюминий 5,0-7,5, цирконий 3,0-5,0, вольфрам 5,0-7,5, гафний 0,005-0,2, титан - остальное. Содержание алюминия Al и вольфрама W удовлетворяет неравенству, мас.%: [W-Al]≤0,5. Сплав получен в вакуумно-дуговой печи методом двойного переплава. Сплав характеризуется высокой жаропрочностью и жаростойкостью. Изделия, выполненные из заявленного сплава, работают до температуры 750°С при длительном нагружении и до 800°С°С при кратковременном нагружении. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Жаропрочный титановый сплав, полученный в вакуумно-дуговой печи и содержащий алюминий, цирконий, вольфрам, гафний и титан, отличающийся тем, что он содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:
Алюминий 5,0-7,5; Цирконий 3,0-5,0; Вольфрам 5,0-7,5: Гафний 0,005-0,2; Титан остальное,

2. Жаропрочный титановый сплав по п.1, отличающийся тем, что получен методом двойного переплава.