Сплав на основе титана и изделие, выполненное из него
Патент 2259414
Авторы
- Каблов Е.Н. (RU)
- Левин И.В. (RU)
- Мазаев К.А. (RU)
- Павлова Т.В. (RU)
- Падюкова Н.М. (RU)
- Тетюхин В.В. (RU)
Правообладатели
- Открытое акционерное общество "Верхнесалдинское металлургическое производственное объединение" (ОАО "ВСМПО") (RU)
- Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU)
Классы МПК
Сплав на основе титана и изделие, выполненное из него
Изобретение относится к области металлургии, а именно к разработке сплавов на основе титана, работающих при повышенных температурах, и может быть использовано в авиационной промышленности для изготовления деталей, например дисков, лопаток, колец, а также в машиностроении. Предложен сплав на основе титана и изделие, выполненное из него. Сплав включает алюминий, цирконий, олово, ниобий, молибден, кремний, углерод и кислород, при этом он дополнительно содержит вольфрам и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: алюминий 5,8 - 6,6, цирконий 2,0 - 4,0, олово 2,5 - 4,5, ниобий 0,8 - 2,5, молибден 0,8 - 1,5, кремний 0,25 - 0,45, углерод 0,05 - 0,1, кислород 0,05 - 0,12, вольфрам 0,35 - 0,8, железо 0,06 - 0,13, титан - остальное. Технический результат - разработка сплава, имеющего меньший вес при заданной кратковременной прочности и удельной малоцикловой усталости, что повысит ресурс и надежность деталей горячего тракта авиационных двигателей. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.
Реферат
Изобретение относится к области металлургии, а именно к разработке сплавов на основе титана, работающих при повышенных температурах.
Изобретение может быть использовано в авиационной промышленности для изготовления деталей авиационных двигателей (диски, лопатки, кольца и др.), машиностроении и других отраслях промышленности. Известен сплав на основе титана, имеющий следующий химический состав, мас.%:
| Алюминий | 5,35-6,1 |
| Цирконий | 3,25-5,0 |
| Олово | 3,5-4,5 |
| Ниобий | 0,5-1,5 |
| Молибден | 0,15-0,75 |
| Кремний | 0,2-0,6 |
| Углерод | 0,03-0,1 |
| Титан | Остальное |
(Патент ЕР №0107419).
Известен сплав на основе титана, имеющий следующий химический состав, мас.%:
| Алюминий | 5,5-6,5 |
| Цирконий | 3,5-4,5 |
| Олово | 2,0-4,0 |
| Молибден | 0,3-0,55 |
| Кремний | 0,35-0,55 |
| Кислород | <0,14 |
| Железо | <0,03 |
| Титан | Остальное |
(Патент ЕР №0269196).
Известные сплавы имеют пониженные значения кратковременной прочности при рабочих температурах 500-600°С и термической стабильности - удар с трещиной. Детали авиационных двигателей (диски, лопатки, кольца и др.), изготовленные из известных сплавов, имеют ограниченный ресурс работы при рабочих температурах.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является сплав на основе титана, имеющий состав, мас.%:
| Алюминий | 6,2-7,2 |
| Цирконий | 3,5-4,5 |
| Олово | 2,2-3,5 |
| Ниобий | 0,5-1,5 |
| Молибден | 0,4-1,0 |
| Кремний | 0,1-0,22 |
| Углерод | 0,02-0,1 |
| Кислород | 0,05-0,12 |
| Титан | Остальное |
| При суммарном | |
| содержании алюминия и олова | 9,2-9,7 мас.% |
| кремния и кислорода | 0,22-0,25 мас.% |
(Патент РФ 2039112).
Сплав-прототип имеет недостаточно высокие значения удельного предела кратковременной прочности при температурах 500-600°С, удельной малоцикловой усталости при осевой нагрузке на базе 104 циклов при температурах 20 и 550°. Детали авиационных двигателей (диски, лопатки, кольца и др.), изготовленные из сплава-прототипа, имеют ограниченный ресурс при температурах выше 500°С.
Технической задачей изобретения является разработка сплава, имеющего удельную длительную прочность и удельную ползучесть на уровне прототипа и обладающего более высокими характеристиками удельной кратковременной прочности при температурах 500-600°С и удельной малоцикловой усталости на базе 104 циклов в интервале рабочих температур 20...600°С, позволяющего повысить надежность работы деталей авиационных двигателей.
Для достижения поставленной технической задачи предложен сплав, включающий алюминий, цирконий, олово, ниобий, молибден, кремний, углерод, кислород, который дополнительно содержит вольфрам и железо, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Алюминий | 5,8-6,6 |
| Цирконий | 2,0-4,0 |
| Олово | 2,5-4,5 |
| Ниобий | 0,8-2,5 |
| Молибден | 0,8-1,5 |
| Кремний | 0,25-0,45 |
| Углерод | 0,05-0,1 |
| Кислород | 0,05-0,12 |
| Вольфрам | 0,35-0,8 |
| Железо | 0,06-0,13 |
| Титан | остальное |
и изделие, выполненное из него.
Из предлагаемого сплава могут изготавливаться штамповки, поковки, прутки, кольца и детали из них, работающие при температурах 500-600°С.
Авторами установлено, что дополнительное введение вольфрама и железа в сплав на основе титана с заявленными компонентами при одновременном повышении содержания кремния компенсирует потерю кратковременной прочности и малоцикловой усталости, обусловленные снижением концентрации примесей в сплаве. Введение вольфрама и железа в концентрациях, мало превышающих их растворимость в α- титане и одновременно исключающих протекание эвтектоидной реакции, замедляет процессы перераспределения легирующих элементов между α и β-фазами, что повышает термическую стабильность сплава и ресурс.
Повышение содержания кремния в сплаве приводит к частичной замене интерметаллидного упрочнения α2(Al+Sn) силицидным за счет образования сложных силицидов (TiZr)5Si3 и карбосилицидов (TiZr)3(SiC)2, которые в виде дисперсных выделений упрочняют сплав, повышая его высокотемпературную удельную кратковременную прочность и малоцикловую усталость на базе 104 циклов в диапазоне температур 20-600°С, сохраняя при этом высокую жаропрочность и сопротивление ползучести.
Примеры осуществления
Слитки предлагаемых сплавов изготавливали по технологии производства титановых сплавов, которая включала изготовление из шихтовых материалов расходуемого электрода и выплавку слитков трехкратным вакуумно-дуговым переплавом. Механически обработанные литые заготовки подвергались ковке и прокатке с целью получения полуфабрикатов - прутков диаметром 25 мм. Прутки подвергались термической обработке: двойному отжигу.
Составы предлагаемого сплава (№1-3) и сплава - прототипа №4 приведены в таблице 1. Свойства предлагаемого сплава и прототипа приведены в таблице 2.
| Таблица 1 | |||||||||||
| №п/п | Содержание компонентов в мас, % | ||||||||||
| Al | Zr | Sn | Nb | Мо | Si | С | O | W | Fe | Ti | |
| 1 | 5,8 | 2,0 | 4.5 | 0,8 | 0,8 | 0,25 | 0,05 | 0,05 | 0,35 | 0,06 | ост |
| 2 | 6,2 | 3,5 | 3,5 | 1,6 | 1,0 | 0,35 | 0,08 | 0,08 | 0,5 | 0,10 | ост |
| 3 | 6,6 | 4,0 | 2,5 | 2,5 | 1,5 | 0,45 | 0,10 | 0,12 | 0,8 | 0,13 | ост |
| 4 | 6,7 | 4,2 | 2,8 | 1,0 | 0,7 | 0,15 | 0,07 | 0,10 | - | - | ост |
| Таблица 2 | |||||||||
| №п/п | Свойства при температурах, °С | ||||||||
| 20 | 550 | 600 | |||||||
| σв/ρ, км | σ0/ρ, км N=104 цикл | σв/ρ, км | σ0/ρ, км N=104 цикл | σв/ρ, км | σ100/ρ, км | σ0,2/100/ρ, км | |||
| образцы гладкие | образцы с надрезом r=0,25 мм | образцы гладкие | образцы с надрезом r=0,25 мм | ||||||
| 1 | 23,8 | 21,3 | 10,4 | 18,6 | 14,0 | 7,7 | 17,5 | 7,9 | 3,64 |
| 2 | 25,4 | 21,8 | 10,9 | 19,3 | 14,6 | 8,3 | 18,2 | 7,95 | 3,64 |
| 3 | 25,9 | 22,0 | 11,3 | 20,0 | 15,4 | 8,6 | 18,6 | 7,95 | 3,66 |
| 4 | 23,8 | 19,5 | 8,8 | 15,8 | 12,5 | 6,5 | 14,1 | 7,9 | 3,64 |
| Примечание: плотность сплавов №№1-4 равна 4,4 г/см3. |
Как видно из таблицы 2, предлагаемый сплав имеет удельную длительную прочность (σ100/ρ) и удельную ползучесть (σ0,2/100/ρ) на уровне сплава прототипа и превосходит сплав-прототип по удельной кратковременной прочности (σв/ρ) при температурах 500-600°С на 17,1-24,1%, по удельной малоцикловой усталости (σ0/ρ) при 20 и 50°С: на гладких образцах на 9,2-12%, на образцах с надрезом на 18,2-18,4%, на базе 104 циклов.
Использование предлагаемого сплава за счет повышения удельной кратковременной прочности и удельной малоцикловой усталости позволит снизить вес, повысить ресурс и надежность деталей горячего тракта авиационных двигателей.
1. Сплав на основе титана, включающий алюминий, цирконий, олово, ниобий, молибден, кремний, углерод и кислород, отличающийся тем, что он дополнительно содержит вольфрам и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Алюминий | 5,8-6,6 |
| Цирконий | 2,0-4,0 |
| Олово | 2,5-4,5 |
| Ниобий | 0,8-2,5 |
| Молибден | 0,8-1,5 |
| Кремний | 0,25-0,45 |
| Углерод | 0,05-0,1 |
| Кислород | 0,05-0,12 |
| Вольфрам | 0,35-0,8 |
| Железо | 0,06-0,13 |
| Титан | Остальное |
2. Изделие, выполненное из сплава на основе титана, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п.1.