СПОСОБ ТЕРМООБРАБОТКИ ОТЛИВОК ИЗ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ГАММА АЛЮМИНИДА ТИТАНА Российский патент 2013 года по МПК C22F1/18 

Описание патента на изобретение RU2502824C1

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам термообработки отливок сплавов на основе гамма алюминида титана (γ-TiAl), и может быть использовано при получении изделий ответственного назначения, работающих при температурах до 800°C, частности, лопаток газотурбинных двигателей.

Литейные сплавы на основе алюминида титана TiAl (далее γ-сплавы) представляются одними из наиболее перспективных материалов для получения лопаток газотурбинных двигателей нового поколения [Appel F., Paul J.D.H., and Oehring M. «Gamma Titanium Aluminick Alloys: Science and Technology», Wiley-VCH Verlag & Co. KGaA, 2011, 745 p.]. Эти сплавы должны обладать не только высокими литейными свойствами, но и комплексом разных механических свойств: прочностью, пластичностью, усталостными свойствами, жаропрочностью и др. [Ильин А.А., Колачев Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства. Справочник. M.: ВИЛС-МАТИ, 2009, 520 с.]. Особенностью γ-сплавов является высокая чувствительность их фазового состава и, как следствие, эксплуатационных свойств даже к небольшим изменениям концентраций легирующих элементов и к параметрам технологического процесса, в частности к режиму термообработки.

Известно, что литые сплавы, как широко известные, так и создаваемые вновь, обладают «фундаментальным» недостатком, связанным с образованием усадочной пористости, в отливках, и это обстоятельство резко снижает потенциальные прочностные и жаропрочностные характеристики сплавов и изделий на их основе. Универсальным и широко используемым приемом, позволяющим решающим образом повысить качество отливок, является применение горячего изостатического прессования (ТИП). Поэтому отливки сплавов на основе алюминида титана, предназначенные для особо ответственных изделий, практически всегда подвергают ГИП-обработке. Температура ГИП-обработки в значительной мере определяет их конечную структуру и, как следствие, эксплуатационные свойства.

Известен способ термической обработки гамма-сплава, содержащего 45,0-48,5 ат.% Al раскрытый в патенте US 5,609,698 (Mar. 11, 1997). Данный способ включает предварительный нагрев при 1038-1149°C (1900-2100°F) в течение от 5 до 50 часов, ГИП-обработку при температуре около 1204°C (2200°F) и последующий нагрев при 1010-1204°C (1900-2100°F). В частном пункте данный способ термообработки рекомендуется для сплавов из группы: Ti-48Al-2Cr-2Nb, Ti-48Al-2Mn-2Nb, Ti-49Al-1V, Ti-47Al-1Mn-2Nb-0,5W-0,5Mo-0,2Si, Ti-47А1-5Nb-1W. Недостатком данного способа является то, что он не регламентирует фазовый состав при ГИП-обработке. Поскольку сплавы из указанной группы имеют разные фазовый состав при одной температуре, то предложенный способ не позволяет обеспечить стабильность эксплуатационных свойств.

Известен также способ термической обработки гамма-сплава, способного к формированию фаз α, α2 и γ, раскрытый в патенте US 6,231,699 (May, 15, 2001). Данный способ включает ГИП-обработку при температуре ниже трансуса альфа-фазы (на 50-250 F) в течение от 1 до 20 ч, повторный нагрев ниже трансуса альфа-фазы (на 5-300 F) для измельчения микроструктуры и образование гаммы фазы в количестве от 10 до 90 об.%. В частных пунктах данного изобретения отмечается стадия определения трансуса альфа-фазы.

Недостатком данного способа является невысокий предел текучести (в частности на литых лопатках σ0,2 составляет около 350 МПа). Широкий диапазон по количеству гаммы фазы не позволяет обеспечить стабильность эксплуатационных свойств.

Наиболее близким к предложенному является к способ термообработки отливок сплавов на основе гамма алюминида титана, раскрытый в патенте US 5,634,992 (Jun.3, 1997). В этом способе отливку сплава на основе алюминида титана (a piece of cast gamma titanium aluminide alloy), содержащего от 45,5 до 48,5 ат.% алюминия, подвергаются ГИП-обработке при температуре выше эвтектоидного превращения (в частном пункте при 1204-1260°С (2200-2300°F)), первому нагреву при 1149-1204°С (2100-2200°F) в течение, как минимум, 8 часов; второму нагреву при температуре ниже эвтектоидного превращения при 982-1093°С (1800-2000°F) в течение, как минимум, 8 часов. В частном пункте предусматривается третий нагрев при температуре ниже альфа-трансуса. Данный способ позволяет получить достаточно высокое сопротивление ползучести при 760°С (1400°F). Недостатками данного способа являются: а) невысокий предел текучести (σ0,2) - менее 400 МПа (53,2 KSi), б) длительность термообработки (более 16 часов без учета ГИП-обработки). Эти недостатки обусловлены тем, что фазовый состав сплава при температуре нагрева регламентируется исходя из двойной фазовой диаграммы Ti-Al. В то же время наличие легирующих элементов в гамма-сплавах (Nb, Cr, Mo, W, Мn и др.) требует использования соответствующих многокомпонентных фазовых диаграмм. Выбор температур отжига по двойной диаграмме Ti-Al не позволяет обеспечить оптимальную структуру и, как следствие, заданные механические свойства. Поскольку термообработку по известному способу (пат. US 5,634,992) проводят в фазовой области α+γ, не регламентируя количество фаз.

Задачей изобретения является создание нового способа термообработки отливок сплавов на основе гамма алюминида титана с целью достижения высокого уровня механических свойств, в частности, по пределу текучести, и снижения общего время термообработки.

Поставленная задача решена тем, что предложен способ термообработки отливок сплавов на основе гамма алюминидов титана, включающий горячее изостатическое прессование при температуре выше эвтектоидного превращения, охлаждение до комнатной температуры и последующий нагрев при температуре ниже эвтектоидного превращения, отличающийся тем, что горячее изостатическое прессование проводят в фазовой области α+β+γ при следующем количестве фаз, мас.%:

бета-фаза (β) - от 7 до 18 мас.%,

гамма-фаза (γ) - от 5 до 16 мас.%,

альфа-фаза (α) - остальное.

В частном исполнении способ термообработки отливок гамма сплавов отличается тем, что сплав содержит ниобий и молибден.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Наличие фаз в заявленных пределах при температуре ГИП-обработке позволяет получить достаточно дисперсную и однородную структуру в процессе эвтектоидного превращения (включая размер эвтектоидных колоний α2+γ и межпластинчатое расстояние внутри этих колоний). Частицы фаз β и γ в процессе ГИП-обработки приобретают компактную морфологию, которая мало меняется в процессе охлаждения и последующего нагрева. Это позволяет получить достаточную пластичность отливки при комнатной и повышенных температурах. Кроме того наличие этих частиц препятствует росту зерен α-фазы, что способствует малому размеру эвтектоидных колоний. При количестве фаз β и γ больше заявленных значений их морфология становится более вытянутой, что отрицательно сказывается на пластичности. При количестве этих фаз меньше заявленных значений их тормозящее влияние на рост зерен α-фазы снижается, что отрицательно сказывается на пределе текучести.

ПРИМЕР

Термообработке были подвергнуты образцы, вырезанные из отливок двух гамма сплавов, полученных в вакуумной плавильно-заливочной установке с медным водоохлаждаемым тиглем. Сплав №1 содержал 41,3% Al, 4,4% Nb и 1,1% Мо (ат.%), а сплав №2 - 42,6% Al, 4,1% Nb и 1,0% Мо (ат.%). ГИП-обработку образцов проводили в атмосфере аргона на установке HIRP 25/70-200-2000 (с графитовым нагревателем) при давлении 170 МПа в течение 3 часов. Температуру ГИП-обработки варьировали в пределах от 1080 до 1220°С. Загрузка литых образов в камеру ГИП-обработки показана на фигуре 1а, а сами образцы после ГИП-обработки - на фигуре 16. Последующий отжиг проводили в муфельной печи СНОЛ в воздушной атмосфере при 800°С в течение 3 часов.

Механические свойства отливок (условный предел текучести (σ0,2) и относительное укорочение (ε) оценивали при комнатной температуре по результатам испытаний на одноосное сжатие цилиндрических образцов, вырезанных из отливок (фигура 1), на универсальной испытательной машине Zwick Z250.

Микроструктуру литых и термообработанных образцов изучали на световом (СМ) и электронном сканирующем (СЭМ) микроскопах: Axio Observer MAT и JSM-6610LV соответственно. Количественный анализ фазового состава сплава при разных температурах проводили с помощью программы Thermo-Calc (версия TCW5, база данных TTTIAl).

Из табл.1 видно, что ГИП-обработка сплава №1 только в интервале температур от 1120 до 1160°С (режимы 3-5) обеспечивает требуемые значения массовых долей фаз β и γ. При меньшей температуре (режимы 1 и 2) для сплава №1 количество фаз γ и β выше заданного значения, а при большей температуре (режимы 6-8) фазы γ отсутствует. Для сплава №2 оптимальными являются режимы 6 и 7.

Таблица 1 Температуры ГИП-обработки, расчетные значения массовых долей фаз и механические свойства экспериментальных гамма сплавов Т, °С Массовые доли фаз, мас.% Механические свойства Сплав №1 Сплав №2 Сплав №1 Сплав №2 β γ α β γ α σ0,2, МПа ε, % σ0,2, МПа ε, % 1 1080 18,1 23,8 58,1 13,0 38,4 48,6 705 7 650 3 2 1100 17,9 19,6 62,3 12,4 34,7 52,9 720 8 665 4 3 1120 17,4 15,5 67,1 11,8 30,7 57,6 755 >10 685 5 4 1140 16,8 10,8 72,4 11,0 26,2 62,8 740 >10 705 7 5 1160 16,1 5,5 78,4 10,1 21,2 68,7 735 >10 720 8 6 1180 15,3 0 84,7 9,0 15,7 75,3 680 >10 725 >10 7 1200 16,4 0 83,6 7,8 9,0 82,7 675 >10 715 >10 8 1220 17,9 0 82,1 6,4 2,6 90,1 680 >10 685 >10

Значения σ0,2 и ε, приведенные в табл.1, показывают, что ГИП-обработка только в интервале температур, обеспечивающем заданное количество фаз β и γ (режимы 3-5 для сплава №1 и режимы 6-7 для сплава №2), позволяет получить предел текучести выше 700 МПа и относительное укорочение больше 10%. Испытание на одноосное сжатие не привели к разрушению образцов, термообработанных по оптимальным режимам, при достигнутом максимально возможном усилии на испытательной машине. Это свидетельствует о достаточно высокой пластичности испытываемых материалов (ε>10%).

Микроструктура сплава №1 после термообработки по режиму 3 (табл.1) показана на фигуре 2.

Термообработка по режимам 1-2 для сплава №1 и по режимам 1-5 для сплава №2 приводит к снижению пластичности. Термообработка по режимам 6-8 для сплава №1 и по режимам 1-3 и 8 для сплава №2 не обеспечивает заданного уровня предела текучести выше 700 МПа.

Похожие патенты RU2502824C1

название год авторы номер документа
СПЛАВ НА ОСНОВЕ ГАММА АЛЮМИНИДА ТИТАНА 2013
  • Белов Владимир Дмитриевич
  • Петровский Павел Владимирович
  • Павлинич Сергей Петрович
  • Аликин Павел Владимирович
  • Деменок Анна Олеговна
RU2520250C1
СПЛАВ НА ОСНОВЕ ГАММА-АЛЮМИНИДА ТИТАНА 2016
  • Каблов Евгений Николаевич
  • Ночовная Надежда Алексеевна
  • Каблов Дмитрий Евгеньевич
  • Панин Павел Васильевич
RU2614354C1
СПЛАВ НА ОСНОВЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДА ТИТАНА И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО 2015
  • Каблов Евгений Николаевич
  • Ночовная Надежда Алексеевна
  • Каблов Дмитрий Евгеньевич
  • Антипов Владислав Валерьевич
  • Панин Павел Васильевич
  • Кочетков Алексей Сергеевич
RU2606368C1
СПОСОБ ОБРАБОТКИ ЛИТЫХ ЗАЭВТЕКТОИДНЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИДОВ ТИТАНА γ-TiAl И α-TiAl 2001
  • Имаев В.М.
  • Имаев Р.М.
  • Кузнецов А.В.
  • Шагиев М.Р.
  • Салищев Г.А.
  • Кайбышев О.А.
RU2203976C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВОК СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ГАММА АЛЮМИНИДА ТИТАНА 2013
  • Белов Владимир Дмитриевич
  • Левашов Евгений Александрович
  • Белов Николай Александрович
  • Фадеев Алексей Владимирович
  • Алабин Александр Николаевич
  • Тимофеев Анатолий Николаевич
  • Погожев Юрий Сергеевич
RU2523049C1
Способ получения отливок из высокопрочного сплава на основе алюминия 2015
  • Белов Николай Александрович
  • Алабин Александр Николаевич
  • Акопян Торгом Кароевич
  • Мишуров Сергей Сергеевич
RU2621499C2
Способ термомеханической обработки литых (γ+α2)- интерметаллидных сплавов на основе алюминида титана γ-TiAl 2015
  • Кузнецов Андрей Витальевич
  • Салищев Геннадий Алексеевич
  • Соколовский Виталий Сергеевич
RU2606685C1
Способ обработки интерметаллических сплавов на основе гамма-алюминида титана 2015
  • Картавых Андрей Валентинович
  • Калошкин Сергей Дмитриевич
  • Горшенков Михаил Владимирович
  • Коротицкий Андрей Викторович
RU2625515C2
ТИТАНОВЫЙ СПЛАВ С УЛУЧШЕННЫМИ СВОЙСТВАМИ 2013
  • Томас, Роджер
  • Гарратт, Пол
  • Фэннинг, Джон
RU2627312C2
ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ γ-TiAl ФАЗЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛОПАТКИ ТУРБИНЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗАГОТОВКИ ЛОПАТКИ ИЗ ИНТЕРМЕТАЛЛИДНОГО СПЛАВА НА ОСНОВЕ γ-TiAl ФАЗЫ 2021
  • Мулюков Радик Рафикович
  • Иноземцев Александр Александрович
  • Чинейкин Сергей Владимирович
  • Имаев Ренат Мазитович
  • Имаев Валерий Мазитович
  • Черкашнева Наталья Николаевна
  • Бекмансуров Рустам Фанильевич
  • Назарова Татьяна Ивановна
RU2777775C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 502 824 C1

Реферат патента 2013 года СПОСОБ ТЕРМООБРАБОТКИ ОТЛИВОК ИЗ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ГАММА АЛЮМИНИДА ТИТАНА

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам термообработки отливок сплавов на основе гамма алюминида титана, и может быть использовано при получении изделий ответственного назначения, работающих при температурах до 800°С, в частности лопаток газотурбинных двигателей. Способ термообработки отливок из сплавов на основе гамма алюминида титана включает горячее изостатическое прессование, охлаждение до комнатной температуры и последующий нагрев при температуре ниже эвтектоидного превращения сплава. Горячее изостатическое прессование проводят при температуре выше эвтектоидного превращения сплава в фазовой области α+β+γ при следующем количестве фаз в сплаве, мас.%: бета-фаза (β) от 7 до 18, гамма-фаза (γ) от 5 до 16, альфа-фаза (α) - остальное. Снижается время термообработки, при этом сплавы имеют высокий уровень механических свойств. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл., 1 пр.

Формула изобретения RU 2 502 824 C1

1. Способ термообработки отливок из сплавов на основе гамма алюминида титана, включающий горячее изостатическое прессование, охлаждение до комнатной температуры и последующий нагрев при температуре ниже эвтектоидного превращения сплава, отличающийся тем, что горячее изостатическое прессование проводят при температуре выше эвтектоидного превращения сплава в фазовой области α+β+γ при следующем количестве фаз в сплаве, мас.%:
бета-фаза (β) от 7 до 18 гамма-фаза (γ) от 5 до 16 альфа-фаза (α) остальное

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сплав отливки содержит ниобий и молибден.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2013 года RU2502824C1

US 5634992 А, 03.06.1997
RU 2466201 C2, 10.11.2012
СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИДОВ ТИТАНА 2005
  • Оеринг Михель
  • Пауль Джонатан
  • Лоренц Уве
  • Аппель Фритц
RU2370561C2
Полочный элеватор 1985
  • Шварцман Вильям Яковлевич
SU1308529A1
Аппарат для очищения воды при помощи химических реактивов 1917
  • Гордон И.Д.
SU2A1

RU 2 502 824 C1

Авторы

Белов Николай Александрович

Белов Владимир Дмитриевич

Алабин Александр Николаевич

Петровский Павел Владимирович

Павлинич Сергей Петрович

Аликин Павел Владимирович

Даты

2013-12-27Публикация

2012-11-13Подача