СПЛАВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО Российский патент 2016 года по МПК C22C14/00 

Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно к интерметаллидным сплавам на основе титана, предназначенным для изготовления деталей газотурбинного двигателя таких, как лопатки, диски, корпуса и проставки, работающие при повышенных температурах.

Известен интерметаллидный сплав на основе титана (ЕР 0924308 А1, 23.06.1999, С22С 14/00), имеющий следующий химический состав, мас.%:

Al 16-26 Nb 18-28 Та 0-2 Мо 0-2 Zr 0-2 Si 0-0,8 Ti остальное

Сплав имеет невысокие значения удельной прочности при комнатной температуре и удельной жаропрочности (кратковременной и длительной прочности за 100 ч) из-за повышенной плотности. Элементы конструкции, изготовленные из известного сплава, имеют повышенное окисление, что приводит к ограничению ресурса работы детали.

Известен интерметаллидный сплав на основе титана (RU 2210612 С2, 20.08.2003, С22С 14/00), имеющий следующий химический состав, мас.%:

Al 10,0-12,0 Nb 38,0-42,0 V 1,0-1,5 Мо 0,5-1,0   Zr 1,0-1,5 Si 0,1-0,25 С 0,03-0,08 Ti остальное

Сплав имеет недостаточно высокие значения удельной жаропрочности - кратковременной и длительной прочности за 100 ч, сопротивления ползучести, а также обладает пониженной стойкостью к окислению в воздушной среде при температурах выше 650°С.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является интерметаллидный сплав на основе титана (RU 2405849 C1, 10.12.2010, С22С 14/00), имеющий следующий химический состав, мас.%:

Al 10,5-12,5 Nb 38,0-42,0 V 1,0-1,5 Mo 0,3-0,6 Zr 1,5-2,5 Si 0,1-0,25 С 0,03-0,08 W 0,5-1,0 Ta 0,7-1,5 Ti остальное

Сплав имеет хорошие значения удельной жаропрочности (кратковременной и длительной прочности за 100 ч), но пониженные характеристики жаростойкости при температурах выше 700°С.

Технической задачей изобретения является разработка интерметаллидного сплава на основе титана с повышенными характеристиками жаростойкости.

Техническим результатом является повышенная стойкость к окислению при температурах выше 700°С.

Для достижения поставленного технического результата предложен сплав на основе титана, содержащий алюминий, ниобий, цирконий, тантал, вольфрам, молибден, кремний, углерод, отличающийся тем, что дополнительно содержит рений и бор при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Al 9,5-12,0 Nb 38,0-42,0 Zr 1,5-2,5 Та 0,7-1,5 W 0,5-1,0 Mo 0,3-0,6 Si 0,1-0,25 Re 0,1-0,5 С 0,03-0,08 В 0,01-0,1 Ti и примеси остальное

Предпочтительно, содержание меди составляет ≤0,07.

Предпочтительно, содержание железа составляет ≤0,03.

Предпочтительно, содержание хрома составляет ≤0,02.

Предпочтительно, сумма примесей составляет ≤0,12.

Изделия из предлагаемого сплава способны длительно работать в воздушной среде при температурах до 750°С.

Авторами установлено, что уменьшение содержания алюминия, исключение из сплавов элемента ванадий и дополнительное введение рения и бора в сплав-прототип, при заявленном соотношении и содержании компонентов, повышает характеристики жаростойкости сплавов. Это осуществляется за счет следующих факторов:

- формирования на поверхности сплава слоев из смешанных оксидов Ti₃O₅, (Ti,Al,В)О₃ и (Nb,Ta)₂O₅ блокирующих проникновение кислорода к поверхности раздела газ - металл;

- сохранение до температуры 750°С упорядоченных твердых растворов титана с элементами - Nb, Mo, W, Та и Re, которые снижают коэффициенты диффузии кислорода в матрице, затрудняя образование оксидных фаз.

Для получения повышенных характеристик жаростойкости необходимо ограничить содержание элементов - Cu, Fe и Cr, которые ускоряют диффузию кислорода по межфазным границам в структуре сплавов, снижают температурную границу существования упорядоченных твердых растворов, тем самым вызывая образование пористых оксидных слоев и повышенную окисляемость сплавов.

Примеры осуществления

Слитки предлагаемых сплавов изготавливали по технологии производства титановых сплавов. Использовались серийные шихтовые материалы - титановая губка, лигатуры Al-Me, где Me - тугоплавкие легирующие элементы, бор и кремний. Изготовление слитков сплавов состояло из получения расходуемого электрода, выплавки слитков вакуумно-дуговым переплавом, механическую обработку слитков. Литые заготовки подвергались горячей обработке давлением с целью получения полуфабрикатов с однородной структурой. Полуфабрикаты разрезались на заготовки образцов и подвергались термической обработке для получения оптимального фазового состава и структуры. Из полученных заготовок изготавливались образцы для испытаний. Готовые образцы имели чистоту обработанной поверхности не менее R_z=3,2.

Испытания на жаростойкость проводились в соответствии с ГОСТ 6130-71 с использованием цилиндрических образцов диаметром 15 мм и высотой 20 мм. Нагрев образцов проводился в печах электросопротивления в атмосфере воздуха с влажностью 55-60%. Жаростойкость сплавов оценивали по привесу образцов Δm/s (г/м²) при температурах 700 и 750°С и выдержке 100 ч с периодическим взвешиванием испытуемых образцов через каждые 25 ч.

Составы предлагаемого сплава №1-3 и сплава-прототипа №4 приведены в таблице 1.

В таблице 2 приведены характеристики жаростойкости предлагаемых сплавов №1-3 и сплава-прототипа №4.

Как видно из таблицы 2, предлагаемый сплав превосходит сплав-прототип по жаростойкости при температуре 700°С на 14,7% и при температуре 750°С на 36,0%.

Использование предлагаемого сплава в качестве жаростойкого материала позволит обеспечить надежную работу конструкции в течение всего ресурса.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к интерметаллидным сплавам на основе титана, предназначенным для изготовления деталей газотурбинного двигателя таких, как лопатки, диски, корпуса и проставки, работающие при повышенных температурах. Сплав на основе титана содержит, мас.%: Al 9,5-12,0, Nb 38,0-42,0, Zr 1,5-2,5, Та 0,7-1,5, W 0,5-1,0, Mo 0,3-0,6, Si 0,1-0,25, Re 0,1-0,5, С 0,03-0,08, В 0,01-0,1, Ti и примеси - остальное. Сплав характеризуется повышенной стойкостью к окислению при температурах выше 700°С. Обеспечивается надежная работа конструкции, выполненной с использованием сплава на основе титана в течение всего ресурса. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 табл., 4 пр.

1. Сплав на основе титана, содержащий алюминий, ниобий, цирконий, тантал, вольфрам, молибден, кремний и углерод, отличающийся тем, что он дополнительно содержит рений и бор при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Al 9,5-12,0 Nb 38,0-42,0 Zr 1,5-2,5 Та 0,7-1,5 W 0,5-1,0 Mo 0,3-0,6 Si 0,1-0,25 Re 0,1-0,5 С 0,03-0,08 В 0,01-0,1 Ti и примеси остальное

2. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит медь ≤0,07 мас.%.

3. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит железо ≤0,03 мас.%.

4. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит хром ≤0,02 мас.%.

5. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что суммарное содержание примесей составляет ≤0,12 мас.%.

6. Изделие из сплава на основе титана, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п. 1.