Интерметаллидный сплав на основе титана и изделие из него Российский патент 2017 года по МПК C22C14/00 

Описание патента на изобретение RU2627304C1

Группа изобретений относится к области цветной металлургии, а именно к интерметаллидным сплавам на основе титана (интерметаллидной О-фазы Ti2AlNb) и изделиям из него - широкой номенклатуре деформированных полуфабрикатов и деталей (в том числе дисков, колец, корпусов, лопаток, проставок, листов), которые могут быть использованы в силовых конструкциях авиационной и космической техники, энергетических установок, ракет, длительно работающих при температурах до 700°C.

По фазовому составу это двухфазные O+β/В2 или трехфазные O+β/В2+α2-сплавы. В зависимости от режимов термической обработки сплавы содержат пластичную β/В2-фазу, которая повышает прочностные, пластические и технологические свойства сплавов, и интерметаллидные О-фазу (орто-фаза Ti2AlNb) и α2-фазу (Ti3Al), повышающие жаропрочные свойства.

В металлургии известны примеры легирования сплавов редкоземельными элементами (РЗЭ) - группы из 17 элементов, включающей, лантан, скандий, иттрий и лантаноиды. В отличие от алюминиевых и магниевых сплавов использование РЗЭ для легирования титановых сплавов не является традиционным и практически не используется в серийных титановых сплавах. Применение РЗЭ для титановых сплавов требует проведения дополнительных исследований, так как каждый элемент вносит свой индивидуальный вклад и оказывает особенное действие, встраиваясь в кристаллическую решетку сплава.

Из уровня техники известен жаропрочный интерметаллидный сплав на основе титана, имеющий следующий химический состав, мас. % (ЕР №0924308, опубл. 02.05.2002, C22C 14/00):

алюминий 8,2-11,81 ниобий 31,7-43,8 молибден 0-3,2 тантал 0-6,1 цирконий 0-3,0 кремний 0-0,38 титан остальное

Из известного сплава изготавливают элементы конструкций двигателей, работающих при температуре до 650°C.

Недостатками известного сплава, обусловленными содержанием большого количества тугоплавких элементов, являются повышенное окисление (а, следовательно, ограниченный ресурс и необходимость применения защитных покрытий) и высокая плотность получаемых из него деталей.

Известен сплав на основе титана, имеющий следующий химический состав, мас. % (RU №2210612, опубл. 20.08.2003, C22C 14/00):

алюминий 10,0-12,0 ниобий 38,0-42,0 молибден 0,5-1,0 ванадий 1,0-1,5 цирконий 1,0-1,5 кремний 0,1-0,25 углерод 0,05-0,08 титан остальное

Высокие пластические свойства сплава при комнатной температуре позволяют изготавливать из него различные деформированные полуфабрикаты, в том числе листы и фольгу.

Недостатками сплава являются низкие значения прочностных и жаропрочных свойств, а также ограничение рабочей температуры сплава 650°C, что связано с низким содержанием «бета»-стабилизирующих упрочняющих элементов.

Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является интерметаллидный сплав на основе титана, имеющий следующий химический состав, мас. % (RU №2405849, опубл. 10.12.2010, С22С 14/00):

алюминий 10,5-12,5 ниобий 38,0-42,0 молибден 0,3-0,6 цирконий 1,5-2,5 кремний 0,1-0,25 углерод 0,03-0,08 вольфрам 0,5-1,0 тантал 0,7-1,5 титан остальное

Также известно изделие, выполненное из вышеуказанного интерметаллидного сплава на основе титана.

Сплав, известный из прототипа, относится к интерметаллидным сплавам на основе титана. Он предназначен для изготовления полуфабрикатов и деталей компрессора газотурбинного двигателя и обладает повышенной жаростойкостью при температурах до 700°C.

Недостатками известного сплава и изделия из него являются недостаточная пластичность при комнатной температуре и низкие значения жаропрочных свойств при рабочих температурах.

Технической задачей группы изобретений является создание интерметаллидного сплава на основе титана (интерметаллидной О-фазы Ti2AlNb), легированного редкоземельными элементами (РЗЭ), обладающего повышенными пластическими и жаропрочными свойствами при температурах 650°C и 700°C, и предназначенного для изготовления полуфабрикатов широкого сортамента (дисков, колец, корпусов, лопаток, проставок, листов, плит, прутков, поковок, штамповок) и сложнопрофильных конструкций, в том числе имеющих сложную геометрию.

Техническим результатом заявленных изобретений является повышение пластических свойств при комнатной температуре (относительного удлинения) и жаропрочных характеристик при температурах до 700°C.

Поставленный технический результат достигается тем, что интерметаллидный сплав на основе титана, включающий алюминий, ниобий, молибден, цирконий, вольфрам, тантал, кремний, дополнительно содержит ванадий и иттрий при следующем соотношении компонентов, мас. %:

алюминий 10,5-12,5 ниобий 38,5-42,0 молибден 0,5-1,5 ванадий 0,5 - 2,0 цирконий 1,0-2,5 вольфрам 0,3-1,5 тантал 0,1-0,8 кремний 0,1-0,25 иттрий 0,02-0,6 титан и примеси остальное

Предпочтительно суммарное содержание вольфрама и молибдена составляет 1,0-2,5 мас. %.

Поставленный технический результат достигается также тем, что изделие из интерметаллидного сплава на основе титана выполнено из заявленного сплава.

Было установлено, что дополнительное увеличение содержания «бета»-стабилизирующих элементов молибдена и вольфрама в сплаве за счет твердофазного упрочнения и стабилизации фазового состава обеспечивает повышение жаропрочных характеристик при рабочих температурах. Увеличение содержания тугоплавких элементов молибдена и вольфрама компенсируется снижением содержания тантала, что позволяет обеспечить сохранение плотности сплава и весовых характеристик деталей (удельную прочность).

Повышенное содержание алюминия (до 12,5 мас. %) и ниобия (до 42,0 мас. %) обеспечивает в процессе термомеханической обработки образование интерметаллидных фаз: О-фаза (орто-фаза Ti2AlNb) и α2-фаза (Ti3Al), которые повышают жаропрочные свойства, но негативно влияют на пластичность. Интерметаллидная орто-фаза (Ti2AlNb) имеет упорядоченную орторомбическую решетку (тип Cmnn) с параметрами: a=0,6125 нм, b=0,955 нм, c=0,467 нм, в которой некоторые узлы, занятые атомами титана в решетке алюминида Ti3Al, замещены атомами ниобия. Интерметаллидная α2-фаза (Ti3Al) является упорядоченной фазой со сверхструктурной решеткой типа DO19. Увеличение содержания алюминия выше установленного интервала (10,5-12,5 мас. %) приводит к резкому снижению пластических свойств за счет повышения количества интерметаллидной α2-фазы.

Введение циркония приводит к повышению кратковременной прочности. Также на повышение прочностных свойств оказывает влияние добавление кремния, который может образовывать силициды.

Отсутствие в сплаве по сравнению с прототипом углерода позволяет повысить пластические свойства при комнатной температуре за счет исключения из фазового состава дисперсных частиц карбидов.

Также на повышение пластических и низкотемпературных прочностных свойств влияет введение в сплав ванадия, являющегося «бета»-стабилизирующим элементом. Увеличение содержания ванадия до 2,0 мас. % способствует дополнительному образованию (увеличению объемной доли) пластичной β-фазы с ОЦК решеткой, которая и обеспечивает сплаву достаточно высокий уровень пластических свойств.

Также было установлено, что введение в интерметаллидный титановый сплав иттрия, благодаря его хорошему сродству к кислороду обеспечивает сочетание высоких пластических (за счет освобождения границ зерен от вредных примесей) и жаропрочных свойств (за счет дисперсионного упрочнения частицами оксидов - частицы оксидов препятствуют росту зерен). Максимально допустимое содержания иттрия до 0,6 мас. % обусловлено тем, что превышение указанного значения приводит к негативному снижению пластических свойств в связи с возросшим количеством дисперсных частиц оксидов, которые препятствуют движению дислокаций и пластической деформации.

Для достижения высокого комплекса свойств интерметаллидного сплава на основе титана (интерметаллидной О-фазы Ti2AlNb) проводится упрочняющая термическая обработка, которая включает две ступени. Микроструктура после термической обработки представлена дисперсными частицами интерметаллидной α2-фазы и оксидов гадолиния внутри первичных β-зерен и тонкопластинчатыми выделениями интерметаллидной О-фазы. Данная микроструктура обеспечивает сочетание высокого уровня жаропрочных свойств и хорошей пластичности при комнатной температуре интерметаллидного сплава.

Ниже приведены примеры осуществления заявленных изобретений. Слитки предлагаемого сплава изготавливали методом вакуумно-дугового переплава с использованием прессованных расходуемых электродов.

В таблице 1 (фиг.) приведены характеристики вариантов составов предлагаемого сплава (№1-3) и сплава, известного из прототипа (№4).

Деформационная обработка обточенных слитков проводилась на прессе в квази-изотермических условиях и включала: осадку, всестороннюю ковку, вытяжку и заключительную осадку заготовки в плиту. Осаженные плиты механически обрабатывали по всем поверхностям до удаления видимых дефектов, после чего проводилась прокатка плит на толщину 18 мм.

Для обеспечения уровня механических свойств катаные плиты подвергали двухступенчатому режиму термической обработки. Окончательную термическую обработку проводили в трехфазной (O+β+α2) - области. Для определения механических свойств термически обработанные плиты были разрезаны на заготовки, из которых были изготовлены образцы. Свойства предлагаемого сплава (№1-3) и сплава, известного из прототипа (№4), представлены в таблице 1.

Как видно из таблицы 1, предлагаемый сплав превосходит сплав-прототип: по относительному удлинению при температуре 20°C - на 12-30%, по пределу прочности при температуре 650°C - на 2-5%.

Использование предлагаемого интерметаллидного сплава на основе титана позволяет изготавливать детали различного сортамента (диски, кольца, корпуса, лопатки, проставки, листы, плиты, прутки, поковки, штамповки), в том числе лопатки сложной геометрии, что позволяет снизить их вес за счет более высокого уровня прочности и повысить ресурс деталей по сравнению с традиционно применяемыми титановыми сплавами.

Похожие патенты RU2627304C1

название год авторы номер документа
ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО 2014
  • Каблов Евгений Николаевич
  • Ночовная Надежда Алексеевна
  • Алексеев Евгений Борисович
  • Новак Анна Викторовна
RU2592657C2
СПЛАВ НА ОСНОВЕ ГАММА-АЛЮМИНИДА ТИТАНА 2016
  • Каблов Евгений Николаевич
  • Ночовная Надежда Алексеевна
  • Каблов Дмитрий Евгеньевич
  • Панин Павел Васильевич
RU2614354C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОДА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПОРОШКОВЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИДА ТИТАНА 2014
  • Рудской Андрей Иванович
  • Попович Анатолий Анатольевич
  • Разумов Николай Геннадьевич
  • Суфияров Вадим Шамилевич
  • Полозов Игорь Анатольевич
RU2562552C1
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 ПОЛУЧЕНИЯ ИНТЕРМЕТАЛЛИДНОГО ОРТОСПЛАВА НА ОСНОВЕ ТИТАНА 2016
  • Григорьев Алексей Владимирович
  • Попович Анатолий Анатольевич
  • Полозов Игорь Анатольевич
  • Суфияров Вадим Шамилевич
  • Борисов Евгений Владиславович
RU2635204C1
ЛИТЕЙНЫЙ ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ 2010
  • Петрушин Николай Васильевич
  • Оспенникова Ольга Геннадиевна
  • Митрушкин Алексей Анатольевич
  • Рассохина Лидия Ивановна
RU2434069C1
Литейный жаропрочный никелевый сплав с монокристальной структурой 2021
  • Данилов Денис Викторович
  • Зубарев Геннадий Иванович
  • Кузьмин Максим Владимирович
  • Лещенко Игорь Алексеевич
  • Логунов Александр Вячеславович
  • Марчуков Евгений Ювенальевич
RU2768946C1
ЖАРОПРОЧНЫЙ И ЖАРОСТОЙКИЙ ТИТАНОВЫЙ СПЛАВ 2011
  • Вилкин Сергей Борисович
  • Кравцов Станислав Григорьевич
  • Соколов Валерий Степанович
RU2471879C1
ЖАРОПРОЧНЫЙ И ЖАРОСТОЙКИЙ ТИТАНОВЫЙ СПЛАВ 2011
  • Вилкин Сергей Борисович
  • Кравцов Станислав Григорьевич
  • Соколов Валерий Степанович
RU2471880C1
ПОРОШКОВЫЙ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ИЗНОСОСТОЙКИЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ 1993
  • Сурикова М.А.
  • Манегин Ю.В.
RU2038401C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 627 304 C1

Реферат патента 2017 года Интерметаллидный сплав на основе титана и изделие из него

Изобретение относится к области металлургии, а именно к интерметаллидным сплавам на основе титана, и может быть использовано для изготовления деталей авиационной и космической техники, длительно работающих до 700°С. Интерметаллидный сплав на основе титана содержит, мас. %: алюминий 10,5-12,5, ниобий 38,5-42,0, молибден 0,5-1,5, ванадий 0,5-2,0, цирконий 1,0-2,5, вольфрам 0,3-1,5, тантал 0,1-0,8, кремний 0,1-0,25, иттрий 0,02-0,6, титан и примеси - остальное. Повышаются пластичность при комнатной температуре и жаропрочность при температурах до 700°C. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула изобретения RU 2 627 304 C1

1. Интерметаллидный сплав на основе титана, содержащий алюминий, ниобий, молибден, цирконий, вольфрам, тантал и кремний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит ванадий и иттрий при следующем соотношении компонентов, мас. %:

алюминий 10,5-12,5 ниобий 38,5-42,0 молибден 0,5-1,5 ванадий 0,5 - 2,0 цирконий 1,0-2,5 вольфрам 0,3-1,5 тантал 0,1-0,8 кремний 0,1-0,25 иттрий 0,02-0,6 титан и примеси остальное

2. Интерметаллидный сплав по п. 1, отличающийся тем, что суммарное содержание вольфрама и молибдена составляет 1,0-2,5 мас. %.

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

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2017 года RU2627304C1

ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА 2009
  • Каблов Евгений Николаевич
  • Иванов Виктор Иванович
  • Ночовная Надежда Алексеевна
  • Савельева Юлия Георгиевна
RU2405849C1
СПЛАВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО 2001
  • Каблов Е.Н.
  • Иванов В.И.
  • Анташев В.Г.
  • Савельева Ю.Г.
RU2210612C2
ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО 2014
  • Каблов Евгений Николаевич
  • Ночовная Надежда Алексеевна
  • Алексеев Евгений Борисович
  • Новак Анна Викторовна
RU2592657C2
CN 103334032 A, 02.10.2013
US 3682719 A, 08.08.1972.

RU 2 627 304 C1

Авторы

Антипов Владислав Валерьевич

Ночовная Надежда Алексеевна

Денисов Анатолий Яковлевич

Алексеев Евгений Борисович

Новак Анна Викторовна

Даты

2017-08-07Публикация

2016-10-19Подача