ЖАРОПРОЧНЫЙ И ЖАРОСТОЙКИЙ ТИТАНОВЫЙ СПЛАВ Российский патент 2013 года по МПК C22C14/00 

Изобретение относится к области металлургии титановых сплавов и может быть использовано для изготовления деталей узлов ракетных двигателей, работающих в условиях высоких нагрузок при температурах до 800°С, в том числе длительное время.

При использовании сплавов в указанных конструкциях следует учитывать следующие обязательные требования:

- сплавы должны обладать достаточно стабильным фазовым составом, исключающим возможность охрупчивания в процессе в процессе длительного нагружения и обеспечивать высокую прочность и сопротивление ползучести при рабочих температурах;

- сплавы должны обладать высокой жаростойкостью, обеспечивающей исключение проникающего окисления в процессе долговременной эксплуатации, при рабочих температурах.

Из уровня техники известен деформированный жаропрочный сертифицированный титановый сплав ВТ18У (Ильин А. А., Колачев Б. А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства. Справочник. - М.: ВИЛС - МАТИ, 2009 г., с. 66, 74 [1]), применяемый в авиационной промышленности для лопаток, дисков компрессоров двигателей, 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

Однако сплав на основе α-фазы (псевдо α-сплав) работоспособен до температуры 600°С и кратковременно до 650°С. Существенным недостатком сплава является его термическая нестабильность в процессе длительной эксплуатации; довольно низкая технологичность при горячей деформации из-за достаточно высокого содержания алюминия в сочетании с оловом и низкая жаростойкость: сплав интенсивно окисляется при нагреве выше 600°С.

Известен титановый сплав (патент RU 2405849 C1, C22C 14/00, 10.12.2010 [2]), имеющий следующий химический состав, мас.%:

Алюминий 10,5-12,5 Ниобий 38,0-42,0 Молибден 0,3-0,6 Цирконий 1,5-2,5 Кремний 0,1-0,25 Вольфрам 0,5-1,0 Тантал 0,7-1,5 Углерод 0,03-0,08 Титан остальное

Исходя из наличия в сплаве большого количества алюминия, его следует отнести к двухфазным α+α₂ (Ti₃Al) - сплавам с небольшим содержанием дополнительно β-фазы (из-за высокого содержания β-стабилизаторов Nb, Mo, Та, W). Это обстоятельство позволяет утверждать, что сплав не может быть термически стабильным по фазовому составу в процессе окисления при высоких температурах и будет охрупчиваться. Другим недостатком сплава является низкая технологическая пластичность при горячей деформации, что обуславливает возможность использования сплава только в литом состоянии или возможно в виде гранул с последующим газостатированием, что экономически представляется невыгодным. И, наконец, сплав является недостаточно жаростойким: интенсивно окисляется при температурах выше 700°С.

Наиболее близким аналогом (прототипом) является жаропрочный титановый сплав (патент RU 2396366 C1, C22C 14/00, 10.08.2010, [3]), характеризующийся следующим химическим составом, мас.%:

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

Сплав использовался в турбонасосных агрегатах жидкостных ракетных двигателей в виде роторов, работающих кратковременно при температурах 750-800°С. Недостатками указанного сплава являются невозможность его использования при температуре 800°С длительное время и значительное окисление при температуре выше 780°С.

Задачей предлагаемого изобретения является создание технологичного высокожаропрочного и жаростойкого титанового сплава, работающего при температурах до 800°С при длительном нагружении.

Технический результат - улучшение весовых характеристик сплава, обеспечение надежности работы титановых деталей - изделий при температурах до 800°С в течение длительного времени, обеспечение высокой прочности и сопротивления ползучести при отсутствии отхрупчивания в процессе работы.

Поставленная задача достигается тем, что жаропрочный и жаростойкий титановый сплав, содержащий алюминий, цирконий, вольфрам, гафний, титан, дополнительно делегирован ниобием при следующем соотношении компонентов, мас.%:

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

Данное увеличение содержания гафния и введение ниобия в сплав позволяет повысить жаропрочность сплава за счет того, что оба этих элемента значительно более тугоплавки, чем титан и, следовательно, дополнительно повышают уровень межатомных связей и снижают диффузионную подвижность атомов при высоких температурах. Одновременно оба элемента заметно повышают стойкость титановых сплавов против окисления. Тот же эффект усиливает повышение нижних пределов содержания алюминия и вольфрама до 6,0 мас.%.

Следует также отметить, что гафний, являясь нейтральным упрочнителем, а ниобий β-изоморфным элементом, что должно повысить технологическую пластичность сплава как при нормальных, так и при повышенных температурах, что немаловажно для титановых сплавов, содержащих достаточно высокое количество алюминия.

Ниобий, содержащийся в жаропрочном титановом сплаве наряду с вышеупомянутым цирконием и вольфрамом, позволяет сплаву достичь и увеличить эффект подавления поглощения водорода (эффект предотвращения водородного охрупчивания) и улучшенной коррозионной стойкости по сравнению с титановым сплавом, содержащим только цирконий и гафний, а также способствует повышению технологической пластичности сплава.

Цирконий представляет собой существенный компонент титанового сплава по настоящему изобретению, и в этом титановом сплаве содержится в количестве 3,0-5,0% по массе, по той причине, что когда его содержание составляет менее чем 3,0% по массе, то нельзя получить удовлетворительный эффект подавления поглощения водорода, а когда его содержание составляет более чем 5,0% по массе, то может ухудшиться такая характеристика, как легковесность (низкая плотность).

Сплав может выплавляться по общепринятой для серийных титановых сплавов технологии методом тройного переплава в вакуумно-дуговых печах, в том числе и гарнисажных.

Для экспериментальной проверки заявляемого состава методом тройного переплава в вакуумно-дуговой печи были выплавлены несколько композиций сплава в виде слитков, из которых были изготовлены свободной ковкой прутки ⌀16 мм, которые затем были отожжены при температуре 800°С в течение 1 часа с последующим охлаждением на воздухе. Из прутков были изготовлены образцы для механических испытаний при комнатной и повышенной температурах, а также для оценки жаростойкости на дериватографе по максимальной температуре, до которой не наблюдалось окисления металла (по привесу).

В таблице 1 представлены результаты проведенных испытаний на растяжение, ударный изгиб, длительную прочность, ползучесть и жаростойкость разработанной композиции, с различным уровнем легирования, в том числе более низким и более высоким. Для сравнения приведены свойства сплава-прототипа.

Из таблицы 1 следует, что жаропрочный псевдо α-сплав мартенситного класса предлагаемого состава (3-5) заметно превосходит известный титановый сплав (прототип) по уровню прочностных и жаропрочных характеристик при комнатной и повышенной температурах. Максимальная температура нагрева без окисления 830-900°С. Одновременно сплав обеспечивает достаточно высокий уровень пластических и вязких свойств, что обуславливает его надежную работу в высоконагруженных конструкциях.

Кроме того, исходя из фазового состава сплава, на основе опыта использования подобного типа сплавов в промышленности можно ожидать, что сплав является свариваемым.

Результаты проведенных испытаний сплавов представлены в таблице.

№ п/п Композиция сплава Температура испытаний 20°C 800°С Максимальная температура нагрева без окисления, °С σ_0,2, МПа σ_в, МПа δ, % ψ, % KCU, Дж/см² σ_в, МПа σ₂, МПа σ₂, E<1% МПа σ₁₀₀, МПа σ₁₀₀ E<1% МПа 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1 Прототип 1078-1226 1128-1324 6-16 11-36 25-31 343-412 176-216 137-187 - - 800-861 2 Ti, 5,5 Al, 2,5 Zr, 5,5 W, 2,4 Hf, 2,3 Nb 1103 1181 16 34 35 368 194 155 - - 833 3 Ti, 6,1 Al, 3,4 Zr, 6,0 W, 2,9 Hf, 3,0 Nb 1149 1248 14 36 30 392 225 173 181 140 854 4 Ti, 6,5 Al, 4,2 Zr, 6,6 W, 3,4 Hf, 3,3 Nb 1169 1318 9 30 30 422 257 201 198 161 880 5 Ti, 7,2 Al, 4,8 Zr, 7,3 W, 3,9 Hf, 3,8 Nb 1241 1380 7 26 26 453 287 223 233 197 903 6 Ti, 7,8 Al, 5,4 Zr, 7,7 W, 4,2 Hf, 4,3 Nb 1332 1400 4 18 18 482 309 251 269 219 917

Из таблицы видно, что предлагаемый сплав заметно превосходит известные титановые сплавы по уровню прочности и жаропрочности при температуре до 800°С. Одновременно сплав обеспечивает достаточно высокий уровень пластических и вязких свойств, что обуславливает его надежную работу в высоконагруженных конструкциях.

Использование заявленного технического решения позволит:

- снизить весовые характеристики узлов изделий, работающий при температурах ≥800°С, в 1,5-1,8 раза за счет замены высоконагруженных деталей из жаропрочных никелевых сплавов;

- обеспечить повышение надежности работы титановых изделий при температуре ≥800°С за счет исключения процесса проникающего окисления металла;

- оптимизировать технологию изготовления деталей и узлов, в том числе сварных, за счет возможности термической обработки на воздухе, исключив вакуумное и с защитной атмосферой термическое оборудование.

Таким образом, данное изобретение обеспечивает улучшение весовых характеристик за счет замены высоконагруженных деталей из жаропрочных никелевых сплавов, повышение прочности и сопротивление ползучести при отсутствии охрупчивания в процессе работы при повышенных температурах до 800°С. Кроме того, при реализации предлагаемого изобретения обеспечивается стабильная высокая жаростойкость и жаростойкость при повышенных температурах.

Изобретение относится к области металлургии титановых сплавов и может быть использовано для изготовления деталей узлов ракетных двигателей, работающих в условиях высоких нагрузок при температурах до 800°С, в том числе длительное время. Жаропрочный и жаростойкий титановый сплав, содержащий, мас.%: алюминий 6,0-7,5, цирконий 3,0-5,0, вольфрам 6,0-7,5, гафний 2,5-4,0, ниобий 2,5-4,0, титан - остальное. Технический результат заключается в улучшении весовых характеристик изделий, в которых применяется заявляемый сплав, в обеспечении надежности работы изделий при температурах до 800°С в течение длительного времени, обеспечении высокой прочности и сопротивления ползучести при отсутствии охрупчивания в процессе работы. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Жаропрочный и жаростойкий титановый сплав, содержащий алюминий, цирконий, вольфрам, гафний, титан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит ниобий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Алюминий 6,0-7,5 Цирконий 3,0-5,0 Вольфрам 6,0-7,5 Гафний 2,5-4,0 Ниобий 2,5-4,0 Титан Остальное

2. Жаропрочный и жаростойкий титановый сплав по п.1, отличающийся тем, что получен методом тройного вакуумно-дугового переплава.