СПЛАВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА И КОМПОНЕНТ ВЫХЛОПНОЙ СИСТЕМЫ Российский патент 2022 года по МПК C22C14/00 F01N13/00 

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к созданию низколегированных титановых сплавов на основе титана, обладающих жаропрочностью и термической стабильностью, и может быть использовано для изготовления изделий, длительно работающих при высоких температурах, в частности компонентах выхлопных систем двигателей транспортных средств.

В различных коммерческих применениях, таких как производство двигателей внутреннего сгорания и выхлопных систем, сплавы на основе титана используются в производстве компонентов для них, таких как впускные и выпускные клапаны, корпуса, рабочая крыльчатка турбины, трубы и баки. Во многих из этих применений компоненты двигателей, в частности выхлопных систем, изготовленные из низколегированных сплавов на основе титана, подвергаются рабочим температурам порядка 500-800°С. Поэтому эксплуатационные свойства сплавов, такие как жаропрочность и стойкость к окислению, являются приоритетными. Кроме того, используемый материал должен обладать достаточной технологической пластичностью, потому что компоненты, в основном, изготовляют холодной формовкой из листового проката и путем изгиба сварных труб.

По мере того как конструкторы двигателей внутреннего сгорания повышают эффективность работы двигателей, соответственно, повышаются такие характеристики как давление наддува, степень сжатия и рабочие температуры. Повышение уровня указанных характеристик приводит к потребности в материалах, которые имеют повышенные эксплуатационные свойства при более высоких рабочих температурах и давлениях в камере сгорания и выхлопной системе, чем в настоящее время достижимы традиционными низколегированными титановыми сплавами.

Следовательно, востребованными являются материалы, обладающие, кроме их низкой цены, как можно большим сочетанием высоких значений механических и эксплуатационных свойств.

Известен стойкий к окислению высокопрочный титановый сплав, состоящий в основном из, мас.%: от 0,2 до менее 0,5 железа, от 0,02 до менее 0,12 кислорода, от 0,15 до 0,6 кремния и остальное - титан и случайные примеси. При этом сплав дополнительно содержит, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, состоящей из Al, Nb, V, Mo, Sn, Zr, Ni, Cr и Ta, с общим содержанием менее 1,5 (Патент США №7767040, публ. 03.08.2010, МПК С22С 14/00).

Сплав имеет высокие пластические свойства, однако обладает пониженной стойкостью к высокотемпературному окислению.

Известен низколегированный титановый сплав, обладающий превосходной стойкостью к высокотемпературному окислению и коррозии, используемый в качестве материала выхлопной системы для транспортного средства или мотоцикла и содержащий, мас.%, Al: 0,30-1,50%, Si: 0,10-1,0% и дополнительно содержащий Nb: 0,1-0,5 (Патент США №7166367, публ. 23.01.2007, МПК В32В 15/01; С22С 14/00, F01N 7/16) - прототип.

Сплав обладает высокими прочностными и пластическими свойствами при комнатной и повышенной температуре, однако имеет недостаточный уровень жаропрочности.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание низколегированного титанового сплава с возможностью изготовления из него широкой номенклатуры изделий, в том числе используемых в компонентах двигателей и выхлопных системах транспортных средств.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении изобретения, является получение титанового сплава, обладающего комплексом высоких механических и эксплуатационных свойств, включая повышенный уровень жаропрочности, с возможностью формовки в холодном состоянии.

Технический результат достигается тем, что предложен сплав на основе титана, содержащий алюминий, молибден, кремний, кислород, азот, железо, водород, при этом компоненты сплава взяты в следующем соотношении, мас.%:

Алюминий 1,5-3,0 Молибден 0,1-0,5 Медь 0,5-1,5 Кремний 0,1-0,6 Железо не более 0,2 Кислород не более 0,15 Углерод не более 0,1 Азот не более 0,03 Водород не более 0,015

Титан и неизбежные примеси - остальное, и компонент выхлопной системы транспортного средства, изготовленный из этого сплава.

В состав сплава введены легирующие элементы из различных групп стабилизаторов: альфа-стабилизаторы: алюминий, кислород, углерод, азот; бета-стабилизаторы: молибден, железо, кремний. В одном из вариантов изобретения в сплав введен бета-стабилизатор - медь.

Алюминий повышает жаропрочность и сопротивление ползучести, уменьшая образование окалины при высокой температуре. Содержание алюминия в сплаве принято от 1,5-3,0 мас.%. Для сохранения оптимальной технологической пластичности максимальное содержание алюминия в сплаве ограничено 3 мас.%.

Содержание кислорода, азота и углерода в указанных пределах наряду с повышением прочности повышает температуру аллотропического превращения титана и обеспечивает сохранение высокого уровня прочности и пластичности. Более высокие концентрации кислорода, углерода и азота понижают технологическую пластичность и ударную вязкость сплава.

Группа бета-стабилизаторов (Mo, Fe, Si, Cu).

Легирование сплава молибденом в количестве 0,1-0,5 мас.%. способствует повышению прочности за счет появления в структуре прослоек β-фазы, которые являются межфазными границами и тормозят движение дислокаций при деформации, а также препятствуют собирательному росту α-зерен при высоких температурах. Содержание молибдена более 0,5 мас.%. снижает жаропрочность, поскольку уменьшается температура полиморфного превращения сплава и увеличивается доля β-фазы в структуре.

Наличие в сплаве кремния, который присутствует в твердом растворе титана, повышает сопротивление ползучести. Содержание кремния в сплаве установлено в диапазоне от 0,1 до 0,6 мас.%. В указанном диапазоне кремний образует с титаном интерметаллидное соединение - силицид (Ti₃Si). Образование в сплаве необходимого количества силицидов повышает жаропрочность, сопротивление ползучести и препятствует росту α-зерен при высоких температурах. Кроме того, кремний существенно повышает стойкость к окислению сплава до концентрации 0,6 мас.%. При большей концентрации снижается технологическая пластичность/формуемость.

Медь, являясь эвтектоидообразующим элементом и имея при этом высокую растворимость в альфа-фазе титана, обеспечивает эффект твердорастворного упрочнения. Образование интерметаллидных частиц Ti₂Cu, ограничивая миграцию границ при высокой температуре, позволяет увеличить жаропрочность сплава, однако чрезмерное количество частиц фазы Ti₂Cu снижает пластичность сплава при комнатной температуре, поэтому содержание меди в предлагаемом сплаве определено не более 1,5 мас.%.

Максимальное содержание водорода в сплаве, ограниченное 0,015 мас.%, позволяет избежать охрупчивания сплава по причине возможного образования гидридов титана.

Композиция элементов, введенных в состав сплава в заявляемом соотношении и характеризующихся в отдельности благоприятным влиянием на стойкость к окислению титана, позволяет достичь аддитивного эффекта в части получения высоких значений жаропрочности при обеспечении прочностных, пластических свойств в сочетании с удовлетворительной стойкостью к окислению по отношению к известным низколегированным титановым сплавам.

Промышленная применимость изобретения подтверждается примером его конкретного выполнения.

Для исследования свойств предлагаемого сплава был выплавлен слиток массой 2100 кг по промышленной технологии методом вакуумно-дугового переплава. Химический состав сплава приведены в табл. 1.

Слиток подвергали деформированию ковкой и последующей прокатке с получением рулона толщиной 0,9 мм. Для исследования механических свойств сплава осуществляли вырезку образцов в состоянии поставки. Для анализа механических свойств проводили испытания на растяжение при температурах 20°С, 500°С, 700°С, для оценки критерия штампуемости материала проводили испытания на глубокую вытяжку по Эриксену. Значения механических свойств сплава при растяжении в состоянии поставки (отожженное состояние) приведены в табл. 2 и сравнительном графике, представленном на фиг. 1.

Для моделирования работы материала при эксплуатации в изделии проводили изотермический отжиг образцов сплава в статическом лабораторном воздухе при температурах 560°С и 800°C с продолжительностью выдержки 1000 и 200 часов соответственно. После чего осуществляли исследование стойкости к окислению посредством расчета привеса массы образцов, выраженного в мг/см. Результаты исследований стойкости к окислению в сравнении со сплавом-прототипом приведены на графиках зависимости привеса сплавов от квадратного корня из времени окисления при температурах 560°С и 800°С, представленных, соответственно, на фиг. 2 и фиг. 3.

Анализ результатов испытаний и данных исследований показал, что предлагаемый сплав обладает комплексом высоких механических и эксплуатационных свойств по отношению к известным низколегированным сплавам. Результаты оценки сопротивления окислению образцов сплава после длительного изотермического отжига демонстрируют долговечность материала.

Изобретение относится к металлургии, в частности к созданию низколегированных титановых сплавов на основе титана, и может быть использовано для изготовления изделий, длительно работающих при высоких температурах, в частности компонентах выхлопных систем двигателей транспортных средств. Сплав на основе титана содержит, мас.%: алюминий 1,5-3,0, молибден 0,1-0,5, медь 0,5-1,5, кремний 0,1-0,6, железо не более 0,2, кислород не более 0,15, углерод не более 0,1, азот не более 0,03, водород не более 0,015, титан и неизбежные примеси - остальное. Сплав обладает комплексом высоких механических и эксплуатационных свойств, в частности высоким сопротивлением ползучести. Сплав пригоден для формовки в холодном состоянии. 2 н.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.

1. Сплав на основе титана, содержащий алюминий, молибден, кремний, железо, кислород, углерод, азот, водород, отличающийся тем, что сплав дополнительно содержит медь при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Алюминий 1,5-3,0 Молибден 0,1-0,5 Медь 0,5-1,5 Кремний 0,1-0,6 Железо не более 0,2 Кислород не более 0,15 Углерод не более 0,1 Азот не более 0,03 Водород не более 0,015 Титан и неизбежные примеси остальное

2. Компонент выхлопной системы транспортного средства, изготовленный из сплава на основе титана, отличающийся тем, что он изготовлен из сплава на основе титана по п. 1.