СПЛАВ ТИТАНА С ХОРОШЕЙ КОРРОЗИЙНОЙ СТОЙКОСТЬЮ И ВЫСОКОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТЬЮ ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ Российский патент 2016 года по МПК C22C14/00 

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

Приоритет по этой заявке истребуется по предварительной заявке США с регистрационным №61/673,313, поданной 19 июля 2012 г., полное раскрытие сущности которой включается настоящим путем ссылки на нее.

ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ

По мере того, как сплавы титана широко использовались в космосе и других сферах, увеличилась потребность в относительно легких сплавах для использования при повышенных температурах. К примеру, высокоэффективность и более высокая экономичность топлива самолетов и авиационных реактивных двигателей приводят к развитию авиадвигателей и корпусов, работающих при увеличенных температурах и уменьшенном весе. В результате сплавы титана рассматриваются для использования в более горячих секциях гондолы двигателя или в частях корпуса, подверженных более высоким рабочим температурам, например, в пилоне кормовой части судна. Эти события привели к потребности замены тяжелых сплавов с основой никеля (и другие сплавов) сплавами титана, имеющими превосходную коррозийную стойкость и высокую механическую прочность при повышенных температурах, например при 650°С, 700°С или 750°С и выше.

В то время как сплавы титана, такие как Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si и Ti-15Mo-3Al-3Nb-0.2Si, использовались для формирования корпусов или деталей авиационных реактивных двигателей, которые должны быть стойкими к окислению, жаропрочными и легкими, коррозийная температура этих сплавов обычно ограничивается температурой ниже 650°С. Тепловое воздействие при температуре 700-750°С в течение длительных периодов приводит к серьезному отслаиванию компонентов, сформированных из этих двух сплавов. Кроме того, у последнего сплава значительно более низкая механическая прочность при рабочих температурах 700-750°С, поскольку это - псевдобета сплав титана.

Ниже отмечены несколько сплавов титана, которые обеспечивают переменные подходящие характеристики, но не пригодны для вышеуказанной цели. Коммерческие сплавы титана Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si, и Ti-15Mo-3Nb-3Al-0.3Si, раскрытые в патенте США 4,980,127, являются псевдобета сплавами титана с очень высоким содержанием молибдена. Патент США 4,738,822 раскрывает псевдоальфа сплав титана без ниобия, который довольно прочен и стоек к ползучести при довольно высоких температурах. Патенты США 4,906,436 и 5,431,874 раскрывают высокотемпературные сплавы титана, содержащие гафний и тантал.

Патенты США 4,087,292 и 4,770,726 соответственно раскрывают два сплава титана, содержащие ниобий, (известный как IMI 829) и (известный как IMI 834), у которых хорошее сопротивление ползучести при повышенных температурах. Патент США 6,284,071 раскрывает высокотемпературный сплав титана, который обычно содержит цирконий на 3.5% и дополнительно ниобий на 2.0%. Сплавы титана трех предыдущих патентов содержат не больше ниобия, чем на 1.25, 1.5 и 2.0% и минимум цирконий на 2.0, 3.25 и 2.5% соответственно.

Понятно, что производство сплавов титана с превосходной коррозийной стойкостью при таких высоких рабочих температурах (особенно при 700, 750°С или выше) чрезвычайно трудно. Таким образом, к примеру, это является важным рывком для продвижения от сплава титана с эксплуатационными характеристиками при 650°С к сплаву титана для эксплуатации при 750°С с хорошей коррозийной стойкостью и высокой механической прочностью.

Настоящие сплавы титана пригодны для этой и других целей, и могут обеспечить различные подходящие физические характеристики помимо обсужденных ранее.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 представляет изображения (без увеличения) образцов коррозии после тестирования в воздухе при 750°С в течение 208 часов (а) образца настоящего сплава титана , (b) известного сплава титана Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si и (с) известного титанового сплава Ti-15Mo-3Nb-3Al-0.3Si.

Фиг. 2 представляет 100-кратно увеличенные изображения электронного сканера-микроскопа поверхности образцов коррозии после тестирования в воздухе при 750°С в течение 208 часов (а) настоящего сплава титана , (b) известного сплава титана Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si (с признаками сильного отслаивания) и (с) известного титанового сплава Ti-15Mo-3Nb-3Al-0.3Si (с признаками частичного отслаивания).

Фиг. 3 представляет изображения электронного сканера-микроскопа, увеличенные в 10,000 раз, показывая слой коррозии образцов окисления после тестирования в воздухе при 750°С в течение 208 часов (а) образца настоящего сплава титана (с признаками очень плотной, тонкой и непрерывной оксидной пленки полигональной формы), (b) известного сплава титана Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si (с признаками очень пористой, толстой, свободной, отслаивающейся пленки оксида стержне-образной формы), и (с) известного титанового сплава Ti-15Mo-3Nb-3Al-0.3Si (с признаками очень пористой, толстой, свободной оксидной пленки с волокнисто-образной формой).

Фиг. 4 представляет микрографы, показывающие глубину альфа слоя известного сплава титана Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si, (b) известного сплава титана , (с) известного титанового сплава , (d) образца настоящего сплава титана Ti- и (е) образца настоящего сплава титана Ti-6Al-.

Фиг. 5 является перспективным изображением воздушного судна с двигателями, установленными на крыльях самолета.

Фиг. 6 является увеличенным изображением в разрезе линии 6-6 из Фиг. 5, показывая различные детали авиационного реактивного двигателя, пилона и крыла.

Фиг. 7 является изображением в перспективе различных деталей крепления или их элементов.

Фиг. 8 представляет вид в вертикальном разрезе клапана автомобильного двигателя.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

С одной стороны, изобретение описывает высокотемпературный сплав на основе титана, содержащий, мас.%: алюминий от 4,5 до 7,5; олово от 2,0 до 8,0; ниобий от 1,5 до 6,5; молибден от 0,1 до 2,5; кремний от 0,1 до 0,6; титан - остальное.

В другом аспекте, изобретение описывает высокотемпературный сплав на основе титана, содержащий, мас.%: алюминий от 5,5 до 6,5; олово от 3.5 до 4.5; ниобий от 2.75 до 3.25; молибден от 0,5 до 0,8; кремний от 0,30 до 0,45; кислород от 0,08 до 0,12 по массе; углерод от 0,02 до 0,04%; и цирконий, железо, никель и хром - каждый менее 0,1% по массе.

В другом аспекте, изобретение описывает высокотемпературный сплав на основе титана, содержащий не более 0,20 мас.% кислорода; и не более 0,10 мас.% углерода.

В другом аспекте, сплав содержит не более 0,20 мас.% кислорода; и не более 0,10 мас.% углерода.

В другом аспекте, сплав дополнительно содержит ванадий, при этом суммарное содержание циркония и ванадия составляет до 0.5 мас.%.

В другом аспекте, сплав дополнительно содержит не более 0,10 мас.% никеля, железа, хрома, меди и марганца.

В другом аспекте, сплав дополнительно содержит гафний и рений при их суммарном содержании до 0,3 мас.%.

В другом аспекте, сплав имеет предел прочности на разрыв при температуре 750°С по меньшей мере 260 МПа.

В другом аспекте, сплав имеет предел текучести при температуре примерно 750°С по меньшей мере 150 МПа.

В другом аспекте, после непрерывной выдержки на воздухе при температуре 750°С в течение 208 часов сплав имеет показатель увеличения массы не более 2,00 мг/см².

В другом аспекте, после непрерывной выдержки на воздухе при температуре 750°С в течение 208 часов он имеет сформированный на поверхности и расположенный ниже оксидной пленки альфа-слой толщиной не более 100 микронов.

В другом аспекте, после выдержки на воздухе при температуре 750°С в течение 100 часов он имеет относительное удлинение при температуре около 25°С по меньшей мере 2%.

В другом аспекте, сплав предназначен для изготовления деталей авиадвигателя.

В другом аспекте, деталь авиадвигателя представляет собой по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, включающий гондолу авиадвигателя, кожух авиадвигателя, ротационную лопасть компрессора авиадвигателя, неподвижную спрямляющую лопатку авиадвигателя, ротационную турбинную лопасть авиадвигателя, выхлопное сопло авиадвигателя, конусное сопла авиадвигателя и крепежные детали авиадвигателя.

В другом аспекте, сплав предназначен для изготовления по меньшей мере части теплового щита пилона авиадвигателя.

В другом аспекте, сплав предназначен для изготовления детали двигателя внутреннего сгорания.

В другом аспекте, деталь двигателя внутреннего сгорания представляет собой клапан.

В другом аспекте, сплав предназначен для изготовления детали газотурбинного двигателя.

В другом аспекте, сплав предназначен для изготовления детали имеющей эксплуатационную температуру по меньшей мере 600°С.

В другом аспекте, сплав содержит, мас. %: алюминий от 4,5 до 7,5; олово от 2,0 до 8,0; ниобий от 1,5 до 6,5; молибден от 0,1 до 2,5; кремний от 0,1 до 0,6; цирконий и ванадий при их суммарном содержании до 0,5; титан - остальное.

Изобретение также раскрывает применение описанного высокотемпературного сплава на основе титана в качестве материала для изготовления деталей авиационного реактивного двигателя, работающих при температуре по меньшей мере 600°С в течение по меньшей мере 0,5 ч.

Изобретение также раскрывает применение описанного высокотемпературного сплава на основе титана в качестве материала для изготовления деталей автомобильного двигателя, работающих при температуре по меньшей мере 600°С в течение по меньшей мере 0,5 ч.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В целом, образцы сплавов данного изобретения могут включать в себя или существенно состоять из алюминия (Al) приблизительно от 4.5 до 7.5 процента веса, олова (Sn) примерно от 2.0 до 8.0 процента веса, ниобия (Nb) приблизительно от 1.5 до 6.5 процента веса, молибдена (Мо) приблизительно от 0.1 до 2.5 процента веса, кремния (Si) примерно от 0.1 до 0.6 процента веса и титана с побочными примесями. Процент содержания различных других элементов, вероятно включенных в данные сплавы, более подробно обсужден ниже. Выяснилось, что при добавке вышеуказанных присадок алюминия, олова, ниобия, молибдена и кремния к титану с гексагональной структурой приводит к улучшенной коррозийной стойкости и к значительно увеличенной механической прочности при повышенных температурах до 750°С и более.

Значительно улучшенная стойкость к окислению сплава титана прежде всего достигнута сочетанием добавок ниобия и олова. Это объясняется тем, что использование ниобия и олова в сплаве формирует очень плотную, тонкую, непрерывную оксидную пленку полигональной формы, как показано в Фиг. 3а при 10,000-кратном увеличении. Защитная пленка оксида обеспечивает барьер, который уменьшает кислородное распространение в матрицу титана и минимизирует тепловое напряжение между оксидной пленкой и титаном для предотвращения отслаивания пленки. Для сравнения, при увеличении в 10000 раз, наблюдалась пористая, толстая, рыхлая, отслаивающаяся пленка оксида неправильной формы (стержне- либо волокнистообразной) для Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si, как показано в Фиг. 3b, и Ti-15Mo-3Nb-3Al-0.3Si, как показано в Фиг. 3с.

Стойкость сплава титана к коррозии может быть обозначена глубиной альфа слоя, увеличением массы и отслаиванием пленки. Альфа слой, насыщенный кислородом и расположенный ниже оксидной пленки, является очень хрупким слоем, который может заметно ухудшить механические такие свойства сплавов титана, как пластичность и усталостная прочность. Стойкость к формированию альфа слоя, таким образом, указывает на лучшую устойчивость сплава титана к окислению. Поэтому, относительно маленькая глубина слоя альфа указывает на относительно хорошую коррозийную стойкость сплава титана.

Как показано в таблице 4 и Фиг. 4, при тестировании различных сплавов титана, образцы сплавов настоящего изобретения, например, Ti- (Фиг. 4d) и (Фиг. 4е) показывают не только самое низкое увеличение массы, но также и наименьшую глубину альфа слоя. Глубина слоя альфа образцов сплавов изобретения составляет лишь приблизительно 50% сплава Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si (Фиг. 4а) при идентичных экспериментальных условиях. Несмотря на то, что сплавы титана с содержанием циркония, например, Ti-, Фиг. 4b, и , Фиг. 4с, в результате приходят к небольшому увеличению массы по сравнению с образцами сплавов изобретения, к примеру, (Фиг. 4d) и (Фиг. 4е), прежние сплавы (содержащие Zr и Nb) показывают двойную глубину слоя альфа в сравнении с настоящими типовыми сплавами (содержащие Sn и Nb). Исследование подтвердило, что в сплавах титана с содержанием циркония наблюдалось сильное отслаивание.

Выяснилось, что цирконий имеет значительный отрицательный эффект на коррозийную стойкость сплавов титана. Поэтому, превосходная стойкость данного сплава к окислению достигнута отчасти составом титанового сплава, который не содержит цирконий или содержит его в минимальном количестве, как детально показано ниже. Таким образом, цирконий, как правило, сознательно не добавляется как часть состава сплава. Из этого следует, что любой цирконий в сплаве обычно является примесью.

Сплавы данного изобретения отличаются от известных текущих коммерческих высокотемпературных сплавов титана, вроде тех, что были обсуждены в предпосылках к созданию данного изобретения. Учитывая стойкость к окислению, механическую прочность при повышенной температуре и ползучестойкость, сплав данного изобретения значительно превосходит коммерческие сплавы Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si и Ti-15Мо-3Nb-3Al-0.3Si. Последний сплав является псевдобета сплавом титана с очень высоким содержанием молибдена и, таким образом, сильно отличается от настоящего сплава, который является псевдоальфа сплавом титана со смешанными добавками Nb и Sn.

Хотя является псевдоальфа сплавом титана с хорошим сочетанием механической прочности при повышенной температуре с сопротивлением ползучести, данный сплав не содержит ниобий и менее к коррозии по сравнению с настоящим сплавом. Настоящие сплавы также отличаются от сплавов по патентам США 4,906,436 и 5,431,874, каждый из которых раскрывает высокотемпературные сплавы титана с содержанием гафния и тантала.

Настоящие сплавы также отличаются от следующих высокотемпературных сплавов титана, содержащих ниобий. Как отмечено в предпосылках создания данного изобретения, патенты США 4,087,292, 4,770,726 и 6,284,071 раскрывают сплавы титана с содержанием циркония и относительно низких уровней ниобия. Как отмечено выше, выяснилось, что цирконий значительно ухудшает коррозийную стойкость титана при повышенных температурах. Кроме того, смешанные добавки с низким содержанием ниобия и высоким содержанием циркония вызывают очень глубокий слой альфа и серьезное отслаивание при повышенных температурах.

Поэтому сплав данного изобретения разработан в виде сплава титана без циркония или без его добавок со смешанными добавками олова и более высокого содержания ниобия (предпочтительно 3.0-6.0%). Кроме того, представляемый сплав показывает лучшую коррозийную стойкость по сравнению со сплавами согласно вышеупомянутым трем патентам.

Сплав данного изобретения разработан как псевдоальфа сплав титана. Фаза его основной матрицы - плотноупакованная гексагональная альфа-фаза титана. Сплав усилен элементами алюминия, олова, ниобия, молибдена и кремния, и его стойкость к окислению улучшена смешанными добавками ниобия и олова.

Алюминиевое содержание должно быть максимально высоким для получения максимального укрепления альфа фазы и предотвращения формирования межметаллического состава (Ti3Al). Добавление алюминия эффективно при улучшении механической прочности при повышенной температуре и ползучестойкости. Для реализации этого эффекта требуется добавление алюминия, по крайней мере, на 4.5%, в то время как слишком высокое содержание алюминия приводит к формированию хрупкой фазы Ti3Al. Поэтому содержание алюминия должно быть ограничено до 7.5%.

Олово является очень эффективным элементом в улучшении коррозийной стойкости со смешанным добавлением ниобия. Проще говоря, чем выше содержание олова, тем лучше коррозийная стойкость. Олово также усиливает фазы альфа и бета, эффективно при улучшении механической прочности при повышенной температуре. Для улучшения стойкости к окислению и механической прочности предпочитается добавление олова на 2.0% или более. Однако, чрезмерное содержание олова может привести к формированию хрупкой фазы Ti3Al и ухудшает пластичность и свариваемость. Поэтому, максимальное содержание олова должно быть не более 8.0%.

Ниобий - очень важный элемент в значительном улучшении коррозийной стойкости со смешанным добавлением олова. Смешанное добавление ниобия и олова приводит к очень плотной, тонкой, непрерывной оксидной пленке полигональной формы при термической обработке сплава при повышенных температурах. Добавление ниобия может также минимизировать тепловое напряжение между пленкой оксида и матрицей титана, таким образом, устраняя отслаивание оксидной пленки после термической обработки при повышенных температурах в течение длительных периодов. Для улучшения стойкости к окислению предпочтительно добавление ниобия на 1.5% или более; однако, ниобий - слабый стабилизатор бета фазы и усиливает, главным образом, бета-фазу. Добавление ниобия в большом количестве введет больше бета фазы, и, уменьшит механическую прочность и ползучестойкость при повышенной температуре. Тем самым, верхний предел ниобия в составе должен составить 6.5%, в то время как настоящий сплав включает от 1.5 до 6.5% и может, к примеру, содержать 2.0, 2.5 или 3.0% до 4.5, 5.0, 5.5, 6.0 или 6.5% ниобия. В одном варианте конструкции сплав может включать 2.5-3.5% или 2.75-3.25% ниобия.

Для улучшения коррозийной стойкости и механической прочности при повышенной температуре в сплав также может быть добавлен тантал. Верхний предел тантала должен составлять 1.0% и тем самым быть в пределах диапазона от 0.0 до 1.0% по массе.

Молибден является более сильным бета стабилизатором и главным образом усиливает бета фазу. Небольшое количество молибдена (0.5%) увеличит разрывную прочность настоящего сплава. Большее количество молибдена уменьшит ползучестойкость. Поэтому добавление молибдена должно быть в диапазоне от 0.1 до 2.5%.

Кремний обычно формирует прекрасные силициды титана в межзеренных границах и матрице. Кремний может быть добавлен в существующий сплав также и для улучшения сопротивления ползучести. Добавление кремния максимум от 0.1 до 0.6% является диапазоном, в котором эффект кремния на ползучестойкость значительно ощутимо.

Содержание кислорода в настоящем сплаве титана необходимо контролировать, поскольку он является сильным альфа стабилизатором. Чрезмерное содержание кислорода склонно уменьшать пластичность и вязкость разрушения после термической обработки. Верхний предел кислорода должен составлять 0.20%, предпочтительно 0.12%. Кислород, как правило, находится в диапазоне 0.08-0.20% или 0.08-0.12% по массе. Углерод в настоящем сплаве, как правило, также контролируется на уровне не более 0.10% и обычно находится в диапазоне от 0.02 до 0.10% по массе или от 0.02 до 0.04% по массе.

Двумя элементами, которые преимущественно исключены или очень ограничены в настоящем сплаве, являются цирконий и ванадий, так как они ухудшают коррозийную стойкость. Их смешанный верхний предел должен быть не более, чем 0.5% по массе. Таким образом, количество каждого из этих элементов должно находиться предпочтительно в диапазоне 0.0-0.5% по массе. Также и общее количество циркония и ванадия предпочтительно добавлять в диапазоне от 0.0 до 0.5% по массе.

Элементы никель, железо, хром, медь и марганец должны быть исключены или очень ограничены в представляемом сплаве титана для улучшения механической прочности и ползучестойкости при повышенной температуре. Каждый из этих элементов нужно контролировать на уровне не более 0.10% по массе, а полное объединенное остаточное содержание элемента - не более 0.30% по массе. Таким образом, каждый из этих пяти элементов может содержаться в настоящем сплаве в диапазоне 0.0-0.10% по массе, и предпочтительно общее количество этих пяти элементов должно находиться в диапазоне от 0.0 до 0.30% по массе.

Элементы гафний и рений также исключены или очень ограничены в данном сплаве титана. Их объединенный верхний предел в составе нужно контролировать на уровне не более 0.3% по массе. Тем самым, количество каждого из этих элементов в настоящем сплаве предпочтительно в диапазоне от 0.0 до 0.3% по массе, а общее количество гафния и рения должно находиться в диапазоне 0.0-0.3% по массе.

Настоящий сплав титана, как правило, не содержит других элементов за исключением тех, что обсуждены выше и тех, что не влияют или минимально влияют на цели получения сплава титана с коррозийной стойкостью, механической прочностью и ползучестойкостью при повышенных температурах.

Экспериментальные сплавы были сначала расплавлены в виде 250 гр. круглых накладок, затем прокатаны в горячем состоянии на листы толщиной 0.100″ и подвергнуты термической обработке. Далее были изучены способы воздействия алюминия, олова, циркония, ниобия, молибдена и кремния на коррозийную стойкость и механические свойства сплавов титана. Основываясь на результатах эксперимента, для расширенного исследования были выбраны два сплава с номинальными составами и . Четыре 70-килограммовых слитка были расплавлены с использованием техники плазменно-дуговой переплавки, затем прокатаны в горячем состоянии на пластины в фазовом поле бета, затем прокатаны на листы размером 0.135×31.5×100 дюймов в фазовом поле альфа + бета. Листы были подвергнуты термообработке при различных температурах для производства трех типов микроструктур: бимодальная I (15% первичная альфа), бимодальная II (35% первичная альфа) и равноосная (60% первичная альфа). Далее листы были подвергнуты оценке определения коррозийной стойкости, разрывной прочности, сопротивления ползучести, разрывной прочности после термической обработки, холодной/горячей штамповки, сверхпластичного формирования и свариваемости.

Таблицы 1 и 5 показывают увеличение массы в мг/см² для различных образцов сплавов титана, которое произошло при непрерывном выставлении образца в воздухе при преимущественно постоянной заданной температуре на заданный период времени. Таблицы 1 и 5, таким образом, обеспечивают одно измерение, показывающее на коррозийную стойкость различных сплавов титана. Таблица 1 показывает сравнение такого увеличения массы между образцами настоящего сплава и других титановых сплавов при соответствующей заданной температуре 650, 700 и 750°С (1202, 1292 и 1382°F, соответственно) на соответствующее время 24, 48, 72, 96, 160 и 208 часов. В частности, другими сплавами титана в Таблице 1 являются коммерческие сплавы Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si и Ti-15Mo-3Nb-3Al-0.3Si, в то время как настоящими сплавами титана в Таблице 1 являются и Ti-6Al-6Sn-3Nb-0.5Mo-0.3Si.

Таблица 5 более подробно показывает увеличение массы трех выше отмеченных типов микроструктур сплава при тех же самых соответствующих температурах и продолжительностях времени. Типовые настоящие сплавы показали намного лучшую стойкость к окислению по сравнению с коммерческими сплавами Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si и Ti-15Mo-3Nb-3Al-0.3Si, как показано в Таблице 1. Три типа микроструктуры настоящего типового сплава показали только относительно небольшие увеличения массы по сравнению с другими сплавами при тех же самых условиях. Это может обеспечить выбор различных микроструктур для хорошего сочетания отличной коррозийной стойкости и различных уровней механических свойств. Кроме особой микроструктуры, настоящие сплавы показали намного лучшую стойкость к коррозии, чем упомянутые коммерческие типовые сплавы.

В тестируемых модификациях настоящего сплава титана увеличение массы в мг/см² было, к примеру, не более 0.08, 0.09, 0.10, 0.11, 0.12, 0.13, 0.14 или 0.15 после непрерывного поддержания сплава в воздухе при температуре приблизительно 650°С в течение 24 часов; не более 0.11, 0.12, 0.13, 0.14, 0.15, 0.16, 0.17, 0.18, 0.19 или 0.20 после непрерывного поддержания сплава в воздухе при температуре приблизительно 650°С в течение 48 часов; не более 0.13, 0.14, 0.15, 0.16, 0.17, 0.18, 0.19, 0.20, 0.21 или 0.22 после непрерывного поддержания сплава в воздухе при температуре приблизительно 650°С в течение 72 часов; не более 0.14, 0.15, 0.16, 0.17, 0.18, 0.19, 0.20, 0.21, 0.22, 0.23, 0.24 или 0.25 после непрерывного поддержания сплава в воздухе при температуре приблизительно 650°С в течение 96 часов; не более 0.18, 0.19, 0.20, 0.21, 0.22, 0.23, 0.24, 0.25, 0.26, 0.27, 0.28, 0.29 или 0.30 после непрерывного поддержания сплава в воздухе при температуре приблизительно 650°С в течение 160 часов; не более 0.20, 0.21, 0.22, 0.23, 0.24, 0.25, 0.26, 0.27, 0.28, 0.29, 0.30, 0.31, 0.32, 0.33, 0.34 или 0.35 после непрерывного поддержания сплава в воздухе при температуре приблизительно 650°С в течение 208 часов; не более 0.17, 0.18, 0.19, 0.20, 0.21, 0.22, 0.23, 0.24, 0.25, 0.26 или 0.27 после непрерывного поддержания сплава в воздухе при температуре приблизительно 700°С в течение 24 часов; не более 0.23, 0.24, 0.25, 0.26, 0.27, 0.28, 0.29, 0.30, 0.31, 0.32, 0.33, 0.34 или 0.35 после непрерывного поддержания сплава в воздухе при температуре приблизительно 700°С в течение 48 часов; не более 0.28, 0.29, 0.30, 0.31, 0.32, 0.33, 0.34, 0.35, 0.36, 0.37, 0.38, 0.39, 0.40, 0.41, 0.42, 0.43, 0.44 или 0.45 после непрерывного поддержания сплава в воздухе при температуре приблизительно 700°С в течение 72 часов; не более 0.32, 0.33, 0.34, 0.35, 0.36, 0.37, 0.38, 0.39, 0.40, 0.41, 0.42, 0.43, 0.44, 0.45, 0.46, 0.47, 0.48, 0.49 или 0.50 после непрерывного поддержания сплава в воздухе при температуре приблизительно 700°С в течение 96 часов; не более 0.42, 0.43, 0.44, 0.45, 0.46, 0.47, 0.48, 0.49, 0.50, 0.51, 0.52, 0.53, 0.54, 0.55, 0.56, 0.57, 0.58, 0.59 или 0.60 после непрерывного поддержания сплава в воздухе при температуре приблизительно 700°С в течение 160 часов; не более 0.47, 0.48, 0.49, 0.50, 0.51, 0.52, 0.53, 0.54, 0.55, 0.56, 0.57, 0.58, 0.59, 0.60, 0.61, 0.62, 0.63, 0.64, 0.65, 0.66, 0.67, 0.68, 0.69, 0.70, 0.71, 0.72, 0.73, 0.74, 0.75, 0.76, 0.77, 0.78, 0.79 или 0.80 после непрерывного поддержания сплава в воздухе при температуре приблизительно 700°С в течение 208 часов; не более 0.35, 0.36, 0.37, 0.38, 0.39, 0.40, 0.41, 0.42, 0.43, 0.44, 0.45, 0.46, 0.47, 0.48, 0.49, 0.50, 0.51, 0.52, 0.53, 0.54, 0.55, 0.56, 0.57, 0.58, 0.59 или 0.60 после непрерывного поддержания сплава в воздухе при температуре приблизительно 750°С в течение 24 часов; не более 0.49, 0.50, 0.51, 0.52, 0.53, 0.54, 0.55, 0.56, 0.57, 0.58, 0.59, 0.60, 0.61, 0.62, 0.63, 0.64, 0.65, 0.66, 0.67, 0.68, 0.69 или 0.70, 0.71, 0.72, 0.73, 0.74, 0.75, 0.76, 0.77, 0.78, 0.79 или 0.80 после непрерывного поддержания сплава в воздухе при температуре приблизительно 750°С в течение 48 часов; не более 0.72, 0.73, 0.74, 0.75, 0.76, 0.77, 0.78, 0.79, 0.80, 0.81, 0.82, 0.83, 0.84, 0.85, 0.86, 0.87, 0.88, 0.89, 0.90, 0.91, 0.92, 0.93, 0.94, 0.95, 0.96, 0.97, 0.98, 0.99, 1.00, 1.01, 1.02, 1.03, 1.04, 1.05, 1.06, 1.07, 1.08, 1.09, 1.10, 1.10, 1.11, 1.12, 1.13, 1.14, 1.15, 1.16, 1.17, 1.18, 1.19 или 1.20 после непрерывного поддержания сплава в воздухе при температуре приблизительно 750°С в течение 96 часов; более 0.95, 0.96, 0.97, 0.98, 0.99, 1.00, 1.01, 1.02, 1.03, 1.04, 1.05, 1.06, 1.07, 1.08, 1.09, 1.10, 1.10, 1.11, 1.12, 1.13, 1.14, 1.15, 1.16, 1.17, 1.18, 1.19, 1.20, 1.21, 1.22, 1.23, 1.24, 1.25, 1.26, 1.27, 1.28, 1.29, 1.30, 1.30, 1.31, 1.32, 1.33, 1.34, 1.35, 1.36, 1.37, 1.38, 1.39, 1.40, 1.41, 1.42, 1.43, 1.44, 1.45, 1.46, 1.47, 1.48, 1.49 или 1.50 после непрерывного поддержания сплава в воздухе при температуре приблизительно 750°С в течение 160 часов; и более 1.12, 1.13, 1.14, 1.15, 1.16, 1.17, 1.18, 1.19, 1.20, 1.21, 1.22, 1.23, 1.24, 1.25, 1.26, 1.27, 1.28, 1.29, 1.30, 1.30, 1.31, 1.32, 1.33, 1.34, 1.35, 1.36, 1.37, 1.38, 1.39, 1.40, 1.41, 1.42, 1.43, 1.44, 1.45, 1.46, 1.47, 1.48, 1.49, 1.50, 1.51, 1.52, 1.53, 1.54, 1.55, 1.56, 1.57, 1.58, 1.59, 1.60, 1.61, 1.62, 1.63, 1.64, 1.65, 1.66, 1.67, 1.68, 1.69, 1.70 или 2.00 после непрерывного поддержания сплава в воздухе при температуре приблизительно 750°С в течение 208 часов.

Таблица 4 показывает увеличение массы и глубину альфа слоя различных сплавов после определенного тестирования на окисление. В частности, настоящий образец сплава (Фиг. 4d) имел глубину альфа слоя в микронах или микрометрах (µm) не более (примерно) 80, 85, 90, 95 или 100 после непрерывного поддержания сплава в воздухе при температуре приблизительно 750°С в течение 208 часов; и не более (примерно) 40, 45, 50 или 55 после непрерывного поддержания сплава в воздухе при температуре приблизительно 650°С в течение 208 часов. Кроме того, настоящий образец сплава Ti-6Al-6Sn-3Nb-0.5Mo-0.3Si (Фиг. 4е) имел глубину слоя альфа не более (примерно) 70, 75, 80, 85, 90, 95 или 100 после непрерывного поддержания сплава в воздухе при температуре приблизительно 750°С в течение 208 часов; и не более (примерно) 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50 или 55 после непрерывного поддержания сплава в воздухе при температуре приблизительно 650°С в течение 208 часов.

Таблицы 2 и 6 показывают свойства при растяжении, такие как предельная разрывная прочность, предел текучести и относительное удлинение различных образцов сплавов титана. Таблица 2 обеспечивает сравнение растяжимых свойств между образцами настоящего сплава и других сплавов титана при приблизительной температуре 25, 200, 400, 600, 650, 700 и 750°С (приблизительно 77, 392, 752, 1112, 1202, 1292 и 1382°F соответственно). В частности другими сплавами титана в Таблице 2 являются коммерческие сплавы Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si и Ti-15Mo-3Nb-3Al-0.3Si, в то время как настоящими сплавами титана в Таблице 2 являются и . Таблица 6 показывает растяжимые свойства трех выше отмеченных микроструктур настоящего типового сплава Ti-6Al-4Sn при идентичных температурах, как в продольном направлении (L-dir), так и в поперечном направлении (T-dir).

Тестированные модификации настоящего сплава титана показали предел разрывной прочности (ПРП), измеряемого в мегапаскалях (МПа) минимум 1100, 1110, 1120, 1130, 1140, 1150, 1160, 1170, 1180, 1190, 1200, 1210, 1220 или 1230 при температуре приблизительно 25°С; как минимум 880, 890, 900, 910, 920, 930, 940, 950, 960, 970, 980, 990, 1000, 1010, 1020, 1030 или 1040 при температуре приблизительно 200°С; минимум 760, 770, 780, 790, 800, 810, 820, 830, 840, 850, 860, 870, 880, 890, 900 или 910 при температуре приблизительно 400°С; минимум 590, 600, 610, 620, 630, 640, 650, 660, 670, 680, 690, 700 или 710 при температуре приблизительно 600°С; по крайней мере 480, 490, 500, 510, 520, 530, 540, 550, 560, 570, 580, 590, 600, 610 или 620 при температуре приблизительно 650°С; по крайней мере 380, 390, 400, 410, 420, 430, 440, 450, 460, 470, 480, 490, 500, 510 или 520 при температуре приблизительно 700°С; и минимум 260, 270, 280, 290, 300, 310, 320, 330, 340, 350, 360, 370, 380, 390, 390 или 400 при температуре приблизительно 750°С.

Тестированные модификации настоящего сплава титана показали предел текучести (ПТ) в МПа по крайней мере 1000, 1010, 1020, 1030, 1040, 1050, 1060, 1070, 1080, 1090, 1100, 1110, 1120, 1130, 1140, 1150, 1160 или 1170 при температуре приблизительно 25°С; как минимум 750, 760, 770, 780, 790, 800, 810, 820, 830, 840, 850, 860, 870, 880, 890 или 900 приблизительной температуре 200°С; минимум 600, 610, 620, 630, 640, 650, 660, 670, 680, 690, 700, 710, 720, 730, 740, 750, 760, 770 или 780 при температуре приблизительно 400°С; по крайней мере 460, 470, 480, 490, 500, 510, 520, 530, 540 или 550 при температуре приблизительно 600°С; по крайней мере 370, 380, 390, 400, 410, 420, 430, 440, 450, 460, 470 или 480 при температуре приблизительно 650°С; как минимум 250, 260, 270, 280, 290, 300, 310, 320, 330, 340, 350 или 360 при температуре приблизительно 700°С; и по крайней мере 150, 160, 170, 180, 190, 200, 210, 220, 230, 240, 250, 260 или 270 при температуре приблизительно 750°С.

Таблицы 3 и 7 показывают характеристики разрушений при ползучести различных сплавов титана. Таблица 3 показывает, что для ползучести настоящих сплавов титана , и Ti-6Al- при температуре 650°С и нагрузке 138 МПа требуется намного больше времени по сравнению с коммерческими сплавами Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si и Ti-15Mo-3Nb-3Al-0.3Si. Таблица 7 показывает, что для настоящего образца сплава титана , в продольном направлении, для разрыва вышеупомянутой бимодальной микроструктуры I при температуре 600°С и нагрузке 173 МПа требуется, по крайней мере, приблизительно 90, 95 или 100 часов; при 650°С и 138 МПа приблизительно 90, 95 или 100 часов; при 700°С и 104 МПа приблизительно 30, 35, 40 или 45 часов; и при 750°С и 69 МПа, по крайней мере, 10, 15, 20 или 25 часов. Таблица 7 также показывает, что для настоящего образца сплава титана , в продольном направлении, для разрыва вышеупомянутой бимодальной микроструктуры II при температуре 600°С и нагрузке 173 МПа требуется приблизительно 90, 95 или 100 часов; при 650°С и 138 МПа по крайней мере приблизительно 50, 55, 60, 65, 70 или 75 часов; при 700°С и 104 МПа по крайней мере приблизительно 5 или 10 часов; и при 750°С и 69 МПа по крайней мере 5, 10 или 15 часов. Таблица 7 далее показывает, что для настоящего образца сплава титана , в продольном направлении, для разрыва вышеупомянутой равноосной микроструктуры при 650°С и 138 МПа требуется по крайней мере приблизительно 5, 10, 15 или 20 часов.

Сплав данного изобретения может быть термически обработан при высокой температуре для достижения желаемых микроструктур с целью оптимизирования высокой механической прочности и усталостных свойств при повышенных температурах минимум до 750°С и сохранения хорошей пластичности. При повышении температуры термообработки, часть объема первичной альфы уменьшается, тем самым, приводя к высокой механической прочности и высокой ползучестойкости при повышенных температурах.

В определенных сферах применения, очень важно, чтобы сплав данного изобретения сохранил стойкость к деформации при повышенных температурах в течение длительных периодов использования. Также важно, чтобы сплав сохранил достаточную пластичность при комнатной температуре после длительной термической обработки. Это называют термином «стабильность при термической обработке». Таблица 8 демонстрирует способность сплава к растяжению при комнатной температуре (около 25°С) после термической обработки при температурах 650, 700, и 750°С в течение 100 часов. Оксидная пленка была удалена прежде, чем образцы были протестированы на свойства растяжения. Настоящий сплав показал превосходную пластичность при комнатной температуре и механическую прочность, указывая, что у сплава отличная пост-термическая стабильность без выделения вредной и хрупкой фазы.

Влияние пленки оксида на свойства растяжения сплава при комнатной температуре (около 25°С) показаны в Таблице 9. Растяжимые образцы были проверены с оксидной пленкой после термической обработки при температуре 650, 700, и 750°С в течение 100 часов. Сплав отчетливо проявляет хорошую механическую прочность при комнатной температуре, достаточную пластичность и удлинение на 2-4% процента. Отдельно стоит отметить пластичность растяжения при комнатной температуре или процент удлинения настоящего типового сплава титана после термической обработки при повышенных температурах до 750°С в течение 100 часов. Напротив, коммерческие сплавы Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si и Ti-15Mo-3Nb-3Al-0.3Si показывают жесткое отслаивание оксидной пленки при высокой температуре 750°С из-за нехватки пластичности растяжения или из-за хрупкости материалов, что повлияла на достижение предела прочности при разрыве.

Со ссылкой на Таблицу 8, предел разрывной прочности (ПРП) при комнатной температуре (около 25°С) сплава с вышеупомянутой бимодальной микроструктурой I после непрерывной термической обработки при температуре приблизительно 650°С в течение 100 часов с удаленной пленкой оксида составляет минимум примерно 1100, 1110, 1120, 1130, 1140 или 1150 МПа; приблизительно при 700°С в течение 100 часов с удаленной оксидной пленкой, по крайней мере, примерно 1100, 1110, 1120, 1130 или 1140 МПа; и приблизительно при 750°С в течение 100 часов с удаленной оксидной пленкой, по крайней мере, около 1050, 1060, 1070, 1080 или 1090 МПа. ПРП при комнатной температуре сплава с вышеупомянутой бимодальной микроструктурой II после непрерывной термической обработки приблизительно при температуре 650°С в течение 100 часов с удаленной оксидной пленкой равен, по крайней мере, примерно 1070, 1080, 1090, 1100, 1110 или 1120 МПа; приблизительно при 700°С в течение 100 часов с удаленной оксидной пленкой, по крайней мере, примерно 1080, 1090, 1100, 1110 или 1120 МПа; и приблизительно при 750°С в течение 100 часов с удаленной оксидной пленкой, по крайней мере, примерно 1050, 1060, 1070, 1080 или 1090 МПа. ОПП при комнатной температуре сплава с вышеупомянутой равноосной микроструктурой после непрерывной термической обработки приблизительно при температуре 650°С в течение 100 часов с удаленной оксидной пленкой составляет, по крайней мере, примерно 1170, 1180, 1190, 1200, 1210 или 1220 МПа; приблизительно при 700°С в течение 100 часов с удаленной оксидной пленкой, по крайней мере, примерно 1100, 1110, 1120, 1130, 1140 или 1150 МПа; и приблизительно при 750°С в течение 100 часов с удаленной оксидной пленкой, по крайней мере, примерно 1100, 1110, 1120, 1130, 1140, 1150, 1160 или 1170 МПа.

С дальнейшей ссылкой на Таблицу 8 при комнатной температуре ПРП сплава с вышеупомянутой бимодальной микроструктурой I после непрерывной термической обработки приблизительно при температуре 650°С в течение 100 часов с удаленной оксидной пленкой составляет, по крайней мере, примерно 1040, 1050, 1060, 1070 или 1080 МПа; приблизительно при 700°С в течение 100 часов с удаленной оксидной пленкой, по крайней мере, примерно 1000, 1010, 1020, 1030, 1040, 1050, 1060 or 1070 МПа; и приблизительно при 750°С в течение 100 часов с удаленной оксидной пленкой, по крайней мере, примерно 970, 980, 990, 1000 или 1010 МПа. ПРП сплава Ti-6Al-4Sn-3Nb-0.5Mo-0.3Si при комнатной температуре с вышеупомянутой бимодальной микроструктурой II после непрерывной термической обработки приблизительно при температуре 650°С в течение 100 часов с удаленной оксидной пленкой, составляет, по крайней мере, примерно 1040, 1050, 1060, 1070 или 1080 МПа; приблизительно при 700°С в течение 100 часов с удаленной оксидной пленкой, по крайней мере, примерно 1000, 1010, 1020, 1030, 1040, 1050 или 1060 МПа; и приблизительно при 750°С в течение 100 часов с удаленной оксидной пленкой, по крайней мере, примерно 980, 990, 1000, 1010 или 1020 МПа. ПРП сплава Ti-6Al-4Sn-3Nb-0.5Mo-0.3Si с вышеупомянутой равноосной микроструктурой при комнатной температуре после непрерывной термической обработки при приблизительной температуре 650°С в течение 100 часов с удаленной оксидной пленкой составляет, по крайней мере, примерно 1130, 1140, 1150, 1160, 1170 или 1180 МПа; приблизительно при 700°С в течение 100 часов с удаленной оксидной пленкой, по крайней мере, примерно 1040, 1050, 1060, 1070, 1080, 1090 или 1100 МПа; и приблизительно при 750°С в течение 100 часов с удаленной оксидной пленкой, по крайней мере, примерно 1050, 1060, 1070, 1080, 1090, 1100 или 1110 МПа.

С дальнейшей ссылкой на Таблицу 8, относительное удлинение (удл. %) сплава при комнатной температуре с вышеупомянутой бимодальной микроструктурой I после непрерывной термической обработки при температуре приблизительно 650°С в течение 100 часов с удаленной оксидной пленкой составляет, по крайней мере, около 10, 11, 12, 13 или 14%; приблизительно при 700°С в течение 100 часов с удаленной оксидной пленкой, по крайней мере, около 10, 11, 12, 13 или 14%; и приблизительно при 750°С в течение 100 часов с удаленной оксидной пленкой, по крайней мере, около 10, 11, 12, 13 или 14%. Процентное удлинение сплава при комнатной температуре с вышеупомянутой бимодальной микроструктурой II после непрерывной термической обработки при температуре приблизительно 650°С в течение 100 часов с удаленной оксидной пленкой составляет, по крайней мере, около 10, 11, 12, 13, 14 или 15%; приблизительно при 700°С в течение 100 часов с удаленной оксидной пленкой, по крайней мере, около 10, 11, 12, 13 или 14%; и приблизительно при 750°С в течение 100 часов с удаленной оксидной пленкой, по крайней мере, около 10, 11, 12, 13, 14 или 15%. Процентное удлинение сплава при комнатной температуре с вышеупомянутой равноосной микроструктурой после непрерывной термической обработки приблизительно при температуре 650°С в течение 100 часов с удаленной оксидной пленкой составляет, по крайней мере, около 7, 8, 9, 10 или 11%; приблизительно при 700°С в течение 100 часов с удаленной оксидной пленкой, по крайней мере, около 7, 8, 9, 10 или 11%; и приблизительно при 750°С в течение 100 часов с удаленной оксидной пленкой, по крайней мере, приблизительно 7, 8, 9, 10, 11 или 12%.

Со ссылкой на Таблицу 9, предельная разрывная прочность (ПРП) сплава при комнатной температуре (примерно 25°С) с вышеупомянутой бимодальной микроструктурой I после непрерывной термической обработки при температуре приблизительно 650°С в течение 100 часов с оксидной пленкой на испытательном образце, составляет, по крайней мере, около 1090, 1100, 1110, 1120, 1130 или 1140 МПа; приблизительно при 700°С в течение 100 часов с оксидной пленкой на испытательном образце, по крайней мере, около 1080, 1090, 1100, 1110 или 1120 МПа; и приблизительно при 750°С в течение 100 часов с оксидной пленкой на испытательном образце, по крайней мере примерно 1020, 1030, 1040, 1050 или 1060 МПа. ПРП сплава Ti-6Al-4Sn-3Nb-0.5Mo-0.3Si при комнатной температуре с вышеупомянутой бимодальной микроструктурой II после непрерывной термической обработки при температуре приблизительно 650°С в течение 100 часов с оксидной пленкой на испытательном образце, составляет, по крайней мере, около 1070, 1080, 1090, 1100, 1110, 1120 или 1130 МПа; приблизительно при 700°С в течение 100 часов с оксидной пленкой на испытательном образце, по крайней мере, составляет 1040, 1050, 1060, 1070 или 1080 МПа; и приблизительно при 750°С в течение 100 часов с оксидной пленкой на испытательном образце, составляет минимум 1000, 1010, 1020, 1030, 1040 или 1050 МПа.

С дальнейшей ссылкой на Таблицу 9, предел текучести (ПТ) сплава при комнатной температуре с вышеупомянутой бимодальной микроструктурой I после непрерывной термической обработки при температуре приблизительно 650°С в течение 100 часов с оксидной пленкой на испытательном образце составляет, по крайней мере, около 1040, 1050, 1060, 1070, 1080, 1090 или 1100 МПа; приблизительно при 700°С в течение 100 часов с оксидной пленкой на испытательном образце, по крайней мере примерно 1000, 1010, 1020, 1030, 1040, 1050, 1060 или 1070 МПа; и приблизительно при 750°С в течение 100 часов с оксидной пленкой на испытательном образце, по крайней мере примерно 970, 980, 990, 1000 или 1010 МПа. ПТ сплава Ti- при комнатной температуре с вышеупомянутой бимодальной микроструктурой II после непрерывной термической обработки при температуре приблизительно 650°С в течение 100 часов с оксидной пленкой на испытательном образце, составляет, по крайней мере, около 1040, 1050, 1060, 1070, 1080 или 1090 МПа; приблизительно при 700°С в течение 100 часов с оксидной пленкой на испытательном образце, по крайней мере, приблизительно 990, 1000, 1010, 1020 или 1030 МПа; и приблизительно при 750°С в течение 100 часов с оксидной пленкой на испытательном образце, по крайней мере приблизительно 970, 980, 990, 1000 или 1010 МПа.

С дальнейшей ссылкой на Таблицу 9, процентное удлинение (удл. %) сплава при комнатной температуре с вышеупомянутой бимодальной микроструктурой I после непрерывной термической обработки при температуре приблизительно 650°С в течение 100 часов с оксидной пленкой окисления на испытательном образце, составляет, по крайней мере, приблизительно 1, 2 или 3%; приблизительно при 700°С в течение 100 часов с оксидной пленкой на испытательном образце, по крайней мере, приблизительно 1, 2 или 3%; и приблизительно при 750°С в течение 100 часов с оксидной пленкой на испытательном образце, по крайней мере, приблизительно 1, 2 или 3%. Процентное удлинение сплава при комнатной температуре с вышеупомянутой бимодальной микроструктурой II после непрерывной термической обработки при температуре приблизительно 650°С в течение 100 часов с оксидной пленкой на испытательном образце, по крайней мере, около 1, 2 или 3%; приблизительно при 700°С в течение 100 часов с оксидной пленкой на испытательном образце, по крайней мере 1, 2, 3 или 4%; и приблизительно при 750°С в течение 100 часов с оксидной пленкой на испытательном образце, по крайней мере приблизительно 1, 2 или 3%.

Настоящий сплав имеет высокую способность к деформации при комнатной температуре (способность к холодной деформации) или при повышенных температурах (способность деформации в горячем состоянии). Таблица 10 показывает данные испытания двойного изгиба сплава . В качестве псевдоальфа сплава, настоящий сплав может быть деформирован в холодном состоянии с отношением радиуса/толщины 2.6, 2.7, 2.8, 2.9, 3.0, 3.1, 3.2, 3.3, 3.4, 3.5, 3.6, 3.7, 3.8, 3.9 или 4.0, что отчетливо ниже необходимого отношения радиуса/толщины 4.5 сплава Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si. Таблица 11 показывает результаты прочности при интенсивном растяжении сплава Ti- при повышенных температурах около 780-930°С. Настоящий сплав показывает хорошую способность к формированию в горячем состоянии с очень высокой пластичностью, относительным удлинением (примерно на 90-230%) и достаточно низкой текучестью при повышенных температурах.

Сплав данного изобретения может также быть деформирован в детали сложной формы, используя технологию сверхпластичного формирования (СПФ). Таблица 12 показывает свойство сверхпластичного формирования сплава при скорости деформации 3×10-4/секунды в диапазоне температуры от 925 до 970°С. Настоящий сплав показывает 340% удлинение и достаточное низкую текучесть для формирования СПФ. Тестирование также демонстрирует, что у настоящего сплава титана хорошая свариваемость, так как он является псевдоальфа сплавом.

Согласно выше предоставленным данным, данное изобретение обеспечивает сплав титана с коррозийной стойкостью при высокой температуре, который может использоваться при повышенных температурах до 750°С. Настоящий сплав не только более механически прочен при повышенных температурах, но также и имеет намного большую стойкость к коррозии по сравнению с коммерческими сплавами, такими как Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si и Ti-15Mo-3Nb-3Al-0.3Si. Все это проявляет хорошее сочетание превосходной коррозийной стойкости, высокой механической прочности, ползучестойкости при повышенных температурах и отличную стабильность после термической обработки. Более того, этот сплав может быть обработан в детали с использованием технологий деформирования в холодном и горячем состояниях, технологию сверхпластичного формирования и сварки.

Эти свойства и характеристики настоящего сплава достигнуты посредством строгого контроля над химическим составом сплава. В частности, объединенные добавки ниобия и олова должны контролироваться в рамках указанного диапазона. Алюминий, молибден, кремний и кислород также должны контролироваться в пределах данного диапазона для получения хорошего сочетания свойств. Примеси вроде циркония, железа, никеля и хрома должны сохраняться на очень низком уровне.

Испытание на растяжение при комнатной температуре (около 25°С), показанное в Таблицах 2, 6, 8 и 9, было проведено в соответствии с Американским обществом по испытанию материалов Е8-11 (Стандартные Методы испытаний для Тестирования Прочности Металлических Материалов); испытание на растяжение при повышенной температуре, показанное в Таблицах 2, 6, 8 и 9, была проведено в соответствии с Американским обществом по испытанию материалов Е21-09 (Стандартные Методы испытаний для Тестов Прочности Металлических Материалов при повышенных температурах); испытание на деформацию в горячем состоянии, показанное в Таблице 11, было проведено в соответствии с Американским обществом по испытанию материалов Е21-09; испытание на разрывную прочность, показанное в Таблицах 3 и 7, было выполнено в соответствии с Американским обществом по испытанию материалов 139-11 (Стандартные Методы испытаний для Проведения тестов по деформации, ползучести, разрушений при ползучести и разрывах при нагрузке Металлических Материалов); испытание двойного изгиба, показанное в Таблице 10, было выполнено в соответствии с Американским обществом по испытанию материалов Е290-09 (Стандартные Методы испытаний для Тестирования Изгиба Материала для выявления пластичности); испытание сверхпластичного формирования, показанное в Таблице 12, было выполнено в соответствии с Американским обществом по испытанию материалов Е2448-08 (Стандартный Метод испытаний для Определения Суперпластичных Свойств Металлических Листовых Материалов); образцы, использованные в тестировании окисления относительно увеличения веса и глубины альфа-слоя (Таблицы 1, 4 и 5), были размером приблизительно 2 мм × 10 мм × 50 мм.

В целом настоящие сплавы титана имеют превосходную как стойкость к коррозии, высокую механическую прочность и ползучестойкость при повышенных температурах по крайней мере в 600, 650, 700 и 750°С, так и хорошую способность к холодной/горячей деформации, хорошие характеристики при сверхпластичном формировании и хорошую свариваемость. Эти сплавы титана могут быть использованы для структурных деталей, для которых требуются коррозийная стойкость, высокая механическая прочность при повышенных температурах и легкий вес. К примеру, может использоваться для изготовления части корпуса (теплового щита, сопла с центральным телом и т.д.), деталей авиационного реактивного двигателя (кожуха, лезвий и лопастей) и автомобильных деталей (клапанов).

Настоящие сплавы могут использоваться для формирования множества деталей, предметов или частей, особенно которым необходима высокая механическая прочность при повышенных температурах. Хотя настоящие сплавы очень полезны при более высоких температурах вроде 650, 700 или 750°С, они могут также обеспечить существенные преимущества при более низкой температуре в 600°С (1112°F) или ниже. Тем самым, хотя другие сплавы титана могут быть пригодны для использования при менее повышенных температурах, настоящие титановые сплавы обеспечивают существенные преимущества при этих температурах, частично благодаря особенностям, упомянутым ранее.

Фиг. 5-8 иллюстрируют некоторые детали, которые могут быть сформированы из настоящих сплавов титана. На Фиг. 5, изображен самолет 1 с фюзеляжем 2, крыльями 4 и газотурбинными двигателями 6, установленными на крыльях самолета 4 с помощью соответствующих пилонов 8. Фиг. 6 показывает, что пилон 8 прикреплен к крылу 4, простирается вниз и наклонен вперед, и авиадвигатель 6, закрепленный в свою очередь к пилону 8. Детальнее, у пилона 8 есть передняя 10 и задняя (кормовая) части 12. Верхняя секция кормовой части 12 прикреплена к основанию крыла 4, а основание передней части 10 монтирована к верхней секции двигателя 6. В целом, много деталей двигателя 6 или компонентов пилона 8 могут быть сформированы из настоящего сплава, включая среди прочего и те, что детально описаны ниже.

Двигатель 6 может включать в себя гондолу 14 с воздухозаборником 16 на переднем конце, корпус двигателя 18, компрессор 20, который включает компрессор низкого давления 22 с ротационными лезвиями компрессора 24, компрессор высокого давления 26 с ротационными лезвиями компрессора 28, статичные или неподвижные профили или лопатки 30, камеру сгорания 32, отсек турбины 34, который может включать турбину 36 с ротационными турбинными лезвиями 38, выхлопную систему включая выхлопное сопло или сопло в сборе 40, выхлопной стекатель 42, и различные детали крепления, к примеру, предназначенные для высокой температуры. Лопатки 30 могут быть установлены в компрессорном 20 и/или турбинном отсеке 34. Кормовой пилон 8 включает различные компоненты, включая тепловой щит высокой температуры 44, расположенный вдоль основания пилона 8 и различные детали крепления. Один образец теплового щита, идентичный показанному в пункте 44, раскрыт в патенте США 7,943,227, который включен в настоящую заявку посредством ссылки. Другой такой тепловой щит, также называемый обтекателем кормового пилона, раскрыт в Публикации Патентных заявок 2011/0155847, который также включен в настоящую заявку посредством ссылки.

Детали крепления или их компоненты двигателя 6 и/или пилона 8 могут быть представлены креплениями и/или компонентами, проиллюстрированными в Фиг. 7. Здесь в частности показано резьбовое крепление в форме болта 46, резьбовая гайка 48 и шайба 50. Крепежные детали или их компоненты, показанные в Фиг. 7, упрощены, типичны, и ориентированы для представления массы других типов известных креплений и их компонентов. Такие детали крепления или их компоненты могут, к примеру, использоваться в авиационных реактивных двигателях или более обширно применяться в воздушных судах. Такие крепежные детали или их компоненты могут также быть использованы в различных условиях при высокой температуре, в других типах двигателей, например, двигателях внутреннего сгорания, используемых в автомобилях и других транспортных средствах или же в других целях. Крепежные детали или их компоненты, сформированные из настоящих сплавов титана, могут использоваться в более низкой температурной среде, но особенно эффективны при обеспечении высокопрочных крепежных деталей для применения в высокотемпературных условиях, как было описано выше.

Как известно, авиационный реактивный двигатель 6 является одной формой двигателя, приведенного в действие посредством впрыска топлива, который создает значительное количество жара во время работы. В то время как двигатель 6 иллюстрирован в виде газотурбинного двигателя самолета, он может также представлять другие типы двигателей, приведенных в действие посредством впрыска топлива. Любой двигатель внутреннего сгорания относится к этой категории. Это может быть двигателем возвратно-поступательного действия, например, автомобильным двигателем. Таким образом, настоящие сплавы титана могут быть использованы для формирования деталей двигателей, приводимых в действие посредством впрыска топлива, и особенно эффективны для деталей или компонентов, используемых при относительно высокой температуре и соответственно, более восприимчивых к окислению.

Фиг. 8 показывает один такой компонент в форме клапана автомобильного двигателя 52, который включает шток 54, галтель 56 и головку клапана 58. Галтель 56 вогнуто сужается от головки клапана 58 к штоку 54. Шток 54 обрывается у наконечника 60, расположенного противоположно головке 58. Смежный со штоком 54 наконечник 60 определяет канавку клапанного сухаря 62 для фиксации клапанной пружины двигателя. Головка клапана 58 имеет опорную поверхность 64, предназначенную для плотной фиксации к седлу клапана двигателя. Тюльпанообразный клапан двигателя, подобный клапану 58, раскрыт в патенте США 6,718,932, который включен в настоящую заявку посредством ссылки.

Двигатель 6, который, как отмечено выше, может представлять газотурбинный двигатель или двигатель возвратно-поступательного действия либо любой другой двигатель, приводимый в действие посредством впрыска топлива. Он также может более обширно представлять машину, включающую в себя компонент, сделанный из одного из настоящих сплавов. Требуется, чтобы работа машины производила тепло, при котором компонент непрерывно будет поддерживаться при эксплуатационной температуре минимум в 600, 650, 700 или 750°С на время как минимум получаса, часа, двух часов, трех часов, четырех часов, пяти часов, шести часов, семи часов, восьми часов, девяти часов, десяти часов или более продолжительные периоды времени, отмеченные в соответствующих Таблицах, с учетом поддержания температуры в течение 24 часов, 48 часов и т.д. Машина может также работать таким образом, чтобы компонент достигал этих температур в течение отмеченных периодов времени не обязательно в непрерывной манере, а скорее переменно. Тем самым, полная продолжительность неустойчивых периодов времени, например, может быть равной любому из вышеупомянутых отрезков времени. В любом случае, компонент будет в целом подвержен этим температурам в воздухе, в результате чего полная продолжительность воздействия окисления при подобных повышенных температурах будет равной, независимо от непрерывности либо переменности воздействия.

Лицо, подающее заявку на объект собственности, сохраняет за собой право заявлять права на настоящие сплавы, детали, сформированные согласно этим или взаимосвязанным способам в любых приращениях значений, отмеченных в данном документе. К примеру, это включает среди прочего проценты элементов, составляющих настоящие сплавы, изложенные температуры и часы, объем увеличения массы, глубину слоя альфа, степень удлинения и т.д.

В предшествующем описании были использованы определенные термины для краткости, четкости и понимания. Не нужно под ними подразумевать никакие ненужные оговорки за исключением требований известного объекта, потому что эти термины используются в описательных целях и предназначены для обширного толкования.

Более того, описание и иллюстрация предпочтительного воплощения изобретения являются примером, и изобретение не ограничено показанными или описанными точными деталями.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам на основе титана. Высокотемпературный сплав на основе титана содержит, мас.%: алюминий от 4,5 до 7,5; олово от 2,0 до 8,0; ниобий от 1,5 до 6,5; молибден от 0,1 до 2,5; кремний от 0,1 до 0,6; титан - остальное. Сплав характеризуется высокими показателями коррозийной стойкости, механической прочности при повышенных температурах до 750°С, свариваемостью, а также высокими характеристиками способности к деформации в горячем/холодном состоянии и к сверхпластичному формированию. 4 н. и 17 з.п. ф-лы, 8 ил., 12 табл.

1. Высокотемпературный сплав на основе титана, содержащий, мас.%:
алюминий от 4,5 до 7,5 олово от 2,0 до 8,0 ниобий от 1,5 до 6,5 молибден от 0,1 до 2,5 кремний от 0,1 до 0,6 титан остальное

2. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что он содержит, мас.%: алюминий от 5,5 до 6,5; олово от 3,5 до 4,5; ниобий от 2,75 до 3,25; молибден от 0,5 до 0,8; кремний от 0,30 до 0,45; кислород от 0,08 до 0,12; углерод от 0,02 до 0,04; и цирконий, железо, никель и хром - каждый менее 0,1 мас.%.

3. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что он содержит не более 0,20 мас.% кислорода и не более 0,10 мас.% углерода.

4. Сплав по п. 2, отличающийся тем, что он дополнительно содержит ванадий, при этом суммарное содержание циркония и ванадия составляет до 0,5 мас.%.

5. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит не более 0,10 мас.% никеля, железа, хрома, меди и марганца.

6. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит гафний и рений при их суммарном содержании до 0,3 мас.%.

7. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что он имеет предел прочности на разрыв при температуре 750°С по меньшей мере 260 МПа.

8. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что он имеет предел текучести при температуре примерно 750°С по меньшей мере 150 МПа.

9. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что после непрерывной выдержки на воздухе при температуре 750°С в течение 208 часов он имеет показатель увеличения массы не более 2,00 мг/см².

10. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что после непрерывной выдержки на воздухе при температуре 750°С в течение 208 часов он имеет сформированный на поверхности и расположенный ниже оксидной пленки альфа-слой толщиной не более 100 микронов.

11. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что после выдержки на воздухе при температуре 750°С в течение 100 часов он имеет относительное удлинение при температуре около 25°С по меньшей мере 2%.

12. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что он предназначен для изготовления деталей авиадвигателя.

13. Сплав по п. 12, отличающийся тем, что деталь авиадвигателя представляет собой по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, включающей гондолу авиадвигателя, кожух авиадвигателя, ротационную лопасть компрессора авиадвигателя, неподвижную спрямляющую лопатку авиадвигателя, ротационную турбинную лопасть авиадвигателя, выхлопное сопло авиадвигателя, конусное сопло авиадвигателя и крепежные детали авиадвигателя.

14. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что он предназначен для изготовления по меньшей мере части теплового щита пилона авиадвигателя.

15. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что он предназначен для изготовления детали двигателя внутреннего сгорания.

16. Сплав по п. 15, отличающийся тем, что деталь двигателя внутреннего сгорания представляет собой клапан.

17. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что он предназначен для изготовления детали газотурбинного двигателя.

18. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что он предназначен для изготовления детали, имеющей эксплуатационную температуру по меньшей мере 600°С.

19. Высокотемпературный сплав на основе титана, содержащий, мас.%:
алюминий от 4,5 до 7,5 олово от 2,0 до 8,0 ниобий от 1,5 до 6,5 молибден от 0,1 до 2,5 кремний от 0,1 до 0,6 цирконий и ванадий при их суммарном содержании до 0,5 титан остальное

20. Применение высокотемпературного сплава на основе титана по п. 1 в качестве материала для изготовления деталей авиационного реактивного двигателя, работающих при температуре по меньшей мере 600°С в течение по меньшей мере 0,5 ч.

21. Применение высокотемпературного сплава на основе титана по п. 1 в качестве материала для изготовления деталей автомобильного двигателя, работающих при температуре по меньшей мере 600°С в течение по меньшей мере 0,5 ч.