СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИДА ТИТАНА И СПОСОБ ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК ИЗ НЕГО Российский патент 2014 года по МПК C22C14/00 C22F1/18 

Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно к созданию сплава на основе алюминида титана Ti₃Al, обладающего повышенной пластичностью и жаропрочностью, и способу обработки заготовок из него. Изобретение может быть использовано для изготовления деталей газотурбинных двигателей, силовых установок и агрегатов авиационного, топливно-энергетического и морского назначения.

Известен сплав на основе титана «Сплав на основе титана и изделие, выполненное из него» (патент РФ №2210612), состоящий из (мас.%): алюминия - 10-12, ниобия - 38-42, молибдена - 0,5-1,0, циркония - 1-1,5, кремния - 0,1-0,25, ванадия - 1-1,5, углерода - 0,05-0,08, титана - остальное. Однако этот сплав вследствие высокого содержания ниобия имеет недостаточно высокие значения удельной прочности при комнатной температуре и удельной кратковременной и длительной прочности за 100 часов при температуре 650°C.

Наиболее близким по составу сплава является «Сплав на основе алюминида титана» (патент РФ №2081929), состоящий из (мас.%): алюминия 13-15, ниобия 3-4, ванадия 2-4, циркония 0,5-1,0, титана - остальное, взятый за прототип. Однако он имеет низкую пластичность (относительное удлинение при растяжении) при комнатной температуре вследствие малого количества β-фазы (5-8%), а также недостаточную кратковременную и длительную прочность при температурах 650-700°C.

Задачей изобретения - в части сплава - является разработка сплава на основе алюминида титана Ti₃Al, который обладает повышенной пластичностью и жаропрочностью.

Для решения поставленной задачи предложен сплав на основе алюминида титана Ti₃Al, содержащий: алюминий, ниобий, ванадий, цирконий и дополнительно содержит молибден, олово и кремний при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Al - 13-15

Nb - 3-6

V - 2-4

Zr - 0,5-1,0

Mo - 1-3

Sn - 0,5-3

Si - 0,1-0,3

Ti - остальное.

Дополнительное введение молибдена в сплав повышает его пластичность (относительное удлинение) при комнатной температуре за счет увеличения в структуре количества β-фазы до 10-12%. Дополнительное введение олова и кремния увеличивает жаропрочность сплава за счет твердорастворного упрочнения α₂-фазы. Кроме того, олово понижает степень ее порядка, таким образом, при повышенных температурах в процесс деформации вовлекаются и неупорядоченные микрообъемы α-фазы, что способствует облегчению проведения пластической деформации. Дополнительное введение кремния способствует также образованию сложного силицида (Ti, Zr, V)₅Si₃, увеличивающего длительную и кратковременную прочность при температуре 700°C. Дополнительное введение в сплав на основе алюминида титана молибдена, олова и кремния при заявленном соотношении и содержании компонентов повышает жаростойкость сплава за счет образования легированного твердого раствора титана с Nb, Mo и Si, снижающими коэффициет диффузии кислорода при повышенных температурах.

Известен способ обработки титановых сплавов «Способ наводороживания титановых сплавов» (патент РФ №1780337). Способ предполагает насыщение водородом α- и α+β- титановых сплавов. Однако этот способ для сплавов на основе алюминида титана Ti₃Al не всегда будет обеспечивать достижение заданной концентрации водорода вследствие его низкой растворимости в интерметаллиде.

Наиболее близким по способу обработки является «Способ получения изделий из титановых сплавов и изделия, полученные эти способом (варианты)» (патент РФ №2338811), взятый за прототип. Однако этот способ предполагает насыщение водородом до концентрации 0,5-0,9% в одну стадию при температурах 700-850°C, что приведет к его неравномерному распределению по сечению полуфабриката и увеличению длительности процесса обработки.

Задачей изобретения - в части способа обработки сплава на основе алюминида титана Ti₃Al - является повышение его пластичности и снижение сопротивления деформации при обработке давлением за счет насыщения водородом и равномерного его распределения по сечению заготовки при сокращении времени гидрирования и получение повышенных значений пластичности при сохранении уровня прочности при комнатной температуре и кратковременной и длительной прочности при повышенных температурах за счет получения в процессе вакуумного отжига бимодальной структуры.

Техническим результатом группы изобретений является создание нового жаропрочного материала на основе титана и способа его обработки для деталей, работающих при повышенных температурах, с улучшенными характеристиками пластичности и жаропрочности.

Для решения поставленной задачи заготовку из сплава на основе алюминида титана Ti₃Al подвергают термоводородной обработке путем ее насыщения водородом с последующим отжигом в вакууме. Насыщение заготовки водородом ведут до концентрации 0,4-0,6 мас.%, причем процесс проводят в две стадии: на первой стадии заготовку нагревают до температуры 950-1050°C, выдерживают 0,5-1,5 часа, после чего охлаждают с печью до температуры 850-900°C, выдерживают 20-30 минут, напускают чистый газообразный водород под давлением 730-750 мм рт.ст. и выдерживают до достижения концентрации водорода в заготовке 0,2-0,3 мас.% при снижении температуры до 700-750°C, после чего заготовку выдерживают при той же температуре 1-3 часа; на второй стадии заготовку нагревают до температуры 850-900°C, выдерживают в течение 20-30 минут, восстанавливают давление газообразного водорода до 730-750 мм рт.ст., выдерживают до достижения концентрации водорода в заготовке 0,4-0,6 мас.% при снижении температуры до 700-750°C, после чего заготовку выдерживают при той же температуре 2-5 часов и охлаждают до комнатной температуры со скоростью 0,02-2°C/с, затем заготовку подвергают прокатке при температуре 850-950°C и двухступенчатому отжигу в вакууме с остаточным давлением не выше 5·10^-5 мм рт.ст. на первой ступени - при температуре 450-600°C с выдержкой 1-4 часа; на второй ступени - с нагревом до температуры 750-950°C с выдержкой 2-8 часов и охлаждением до комнатной температуры со скоростью 0,1-5°C/с.

Нагрев до температур 950-1050°C, выдержка в течение 0,5-1,5 часов и медленное охлаждение до температур 850-900°C обеспечивают протекание в заготовке процессов гомогенизации, выравнивание структуры по сечению и приведение сплава в равновесное состояние.

Введение в сплав половины (0,2-0,3 мас.%) заданного количества водорода и постепенное понижение температуры в процессе насыщения позволяют в 1,5 раза сократить время наводороживания.

Изотермическая выдержка при 700-750°C в течение 1-3 часов и повторный нагрев до 850-900°C с выдержкой в течение 20-30 минут обеспечивают равномерное распределение введенного водорода по сечению заготовки.

Увеличение в структуре количества β-фазы после первого этапа обработки, восстановление давления газообразного водорода до 730-750 мм рт.ст. и постепенное снижение температуры в процессе наводороживания до 700-750°C позволили в 2 раза сократить суммарное время насыщения. Изотермическая выдержка после завершения процесса поглощения водорода при температурах 700-750°C в течение 2-5 часов обеспечивает равномерное его распределение по сечению заготовки.

Первая ступень вакуумного отжига при температурах 450-600°C с выдержкой 1-4 часа обеспечивает протекание начальных этапов распада водородосодержащей β-фазы и зарождение дисперсной α(α₂)-фазы.

Вторая ступень вакуумного отжига при температурах 750-950°C позволяет удалить водород до безопасных концентраций (0,002-0,008 мас.%) и сформировать бимодальную структуру α₂-фазы, обеспечивающей повышенные значения прочности и пластичности при комнатной температуре и жаропрочности.

Пример осуществления.

Слиток сплава состава Ti - 14Al - 4Nb - 3V - 0,7Zr - 2Mo - 2Sn - 0,2Si (мас.%) изготавливали по технологии производства титановых сплавов, которая включала изготовление шихтовых материалов расходуемого электрода и выплавку слитков тройным вакуумно-дуговым переплавом. Механически обработанные литые заготовки подвергали осадке. Механически обработанную заготовку подвергали насыщению водородом. Для этого ее помещали в вакуумно-водородную печь, нагревали до температуры 1000°C, выдерживали в течение 1 часа и охлаждали с печью до 875°C, выдерживали 25 минут и напускали газообразный водород под давлением 740 мм рт.ст., и выдерживали до достижения концентрации водорода в заготовке 0,25 мас.% при снижении температуры до 725°C, после чего заготовку выдерживали при этой температуре 2 часа. Затем заготовку нагревали до температуры 875°C, выдерживали в течение 25 минут, восстанавливали давление газообразного водорода до 740 мм рт.ст., выдерживали до достижения концентрации водорода в заготовке 0,5 мас.% при снижении температуры до 725°C, после чего заготовку выдерживали при той же температуре 4 часа и охлаждали до комнатной температуры со скоростью 0,05°C/с. Затем заготовку подвергали прокатке при температуре 900°C, что на 150-200°C ниже, чем для данной группы сплавов без использования обратимого водородного легирования, с целью получения листового полуфабриката толщиной 2 мм. Листовые полуфабрикаты после удаления окалины подвергали двухступенчатому отжигу в вакууме с остаточным давлением не выше 4,5·10^-5 мм рт.ст. на первой ступени - при температуре 500°C с выдержкой 3 часа; на второй ступени - с нагревом до температуры 800°C с выдержкой 7 часов и охлаждением до комнатной температуры со скоростью 0,4°C/с. Свойства образцов, вырезанных из листового полуфабриката заявленного сплава, обработанных предложенным способом, приведены в таблице 1.

Таблица 1 Механические свойства $${\sigma }_{в}^{20}$$
МПа $${\sigma }_{\mathrm{0,2}}^{20}$$
МПа δ²⁰, % ψ²⁰, % $${\sigma }_{в}^{700}$$
МПа $${\sigma }_{100}^{700}$$
МПа 1320 1210 4,0 5,0 850 400

Таким образом, разработан сплав на основе алюминида титана Ti₃Al и способ обработки заготовок из него, это позволило повысить пластичность при снижении температуры деформации за счет обратимого легирования заготовок водородом и равномерного его распределения по сечению, сократить время гидрирования, создать в заготовках структуру, обеспечивающую повышенные значения пластичности и жаропрочности.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным сплавам на основе алюминида титана Ti₃Al, и может быть использовано для изготовления деталей газотурбинных двигателей, силовых установок и агрегатов авиационного, топливно-энергетического и морского назначения. Сплав на основе алюминида титана Ti₃Al содержит, мас.%: Al 13-15, Nb 3-6, V 2-4, Zr 0,5-1,0, Mo 1-3, Sn 0,5-3, Si 0,1-0,3, Ti - остальное. Заготовку из сплава на основе алюминида титана Ti₃Al подвергают термоводородной обработке путем ее насыщения водородом с последующим отжигом в вакууме. Насыщение заготовки водородом ведут до концентрации 0,4-0,6 мас.% в две стадии, затем заготовку подвергают прокатке. Отжиг в вакууме проводят в две стадии с остаточным давлением не выше 5·10^-5 мм рт.ст. Жаропрочный сплав на основе алюминида титана Ti₃Al характеризуется высокими показателями пластичности и жаропрочности. 2 н.п. ф-лы, 1 табл.

1. Сплав на основе алюминида титана Ti₃Al, содержащий алюминий, ниобий, ванадий, цирконий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит молибден, олово и кремний при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Al - 13-15
Nb - 3-6
V - 2-4
Zr - 0,5-1,0
Mo - 1-3
Sn - 0,5-3
Si - 0,1-0,3
Ti - остальное.

2. Способ обработки заготовок из сплава на основе алюминида титана Ti₃Al по п.1, включающий термоводородную обработку заготовки путем ее насыщения водородом до 0,4-0,6 мас.% и отжиг в вакууме, при этом насыщение водородом проводят в две стадии, причем на первой стадии заготовку нагревают до температуры 950-1050°C, выдерживают 0,5-1,5 часа, после чего охлаждают с печью до температуры 850-900°C, выдерживают 20-30 минут, напускают газообразный водород под давлением 730-750 мм рт.ст. и выдерживают до достижения концентрации водорода в заготовке 0,2-0,3 мас.% при снижении температуры до 700-750°C, после чего заготовку выдерживают при той же температуре 1-3 часа, на второй стадии заготовку нагревают до температуры 850-900°C, выдерживают в течение 20-30 минут, восстанавливают давление газообразного водорода до 730-750 мм рт.ст., выдерживают до достижения концентрации водорода в заготовке 0,4-0,6 мас.% при снижении температуры до 700-750°C, после чего заготовку выдерживают при той же температуре 2-5 часов и охлаждают до комнатной температуры со скоростью 0,02-2°C/с, затем заготовку подвергают прокатке при температуре 850-950°C, а отжиг в вакууме осуществляют на двух ступенях с остаточным давлением не выше 5·10^-5 мм рт.ст., причем на первой ступени - при температуре 450-600°C с выдержкой 1-4 часа, а на второй ступени - с нагревом до температуры 750-950°C, выдержкой 2-8 часов и охлаждением до комнатной температуры со скоростью 0,1-5°C/с.