СПЛАВ НА ОСНОВЕ ГАММА АЛЮМИНИДА ТИТАНА
GAMMA TITANIUM ALUMINIDE-BASED ALLOY

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам на основе гамма-алюминида титана (γ-TiAl), получаемым методами фасонного литья и предназначенным для получения изделий ответственного назначения, работающих при температурах до 8000°C.
Сплавы на основе алюминида титана TiAl (далее γ-сплавы) представляются одними из наиболее перспективных материалов для получения лопаток газотурбинных двигателей нового поколения, в частности методами фасонного литья [Appel F., Paul J.D.H., and Oehring M «Gamma Titanium Aluminide Alloys: Science and Technology)), Wiley-VCH Verlag & Co. KGaA, 2011, 745 р.]. Эти сплавы должны обладать не только высокими литейными свойствами, но и комплексом разных механических свойств: прочностью, пластичностью, усталостными свойствами, жаропрочностью и др. Особенностью γ-сплавов является высокая чувствительность их фазового состава и, как следствие, эксплуатационных свойств даже к небольшим изменениям концентраций легирующих элементов и к параметрам технологического процесса, в частности к режиму термообработки.
3
Основное достоинство гамма-сплавов по сравнению с жаропрочными никелевыми сплавами состоит в их более низкой плотности (примерно в 2 раза), что для летательных аппаратов имеет первостепенное значение. С увеличением концентрации алюминия плотность снижается. В частности, для соединения TiAl стехиометрического состава (36 мас.% Al) она составляет 3,8 г/см. Однако двойной сплав обладает хрупкостью и не позволяет обеспечить необходимый комплекс служебных свойств.
3
2
Повысить пластичность гамма-сплавов можно за счет дополнительного легирования ниобием и другими переходными металлами. В частности, известен сплав 48-2-2, содержащий 48 ат.% Al, 2 ат.% Nb, 2 ат.% Cr [Ильин А.А., Колачев Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства. Справочник. M.: ВИЛС-МАТИ, 2009, 520 с]. Этот сплав обладает более высоким комплексом прочностных свойств по сравнению с TiAl, имея достаточно низкую плотность (до 4,1 г/см). Недостатком этого сплава является низкий солидус (ниже 1450°C), что ограничивает жаропрочность (в частности, предельные рабочие температуры). Кроме того, пластичность этого сплава невысока, что связано с малым количеством альфа-2 (α) фазы.
3
Наиболее близким к предложенному является сплав на основе гамма-алюминида титана, раскрытый в патенте US 6524407 (Feb. 25, 2003). Данный сплав содержит 45 ат.% Al, 5-10 ат.% Nb, а также малые добавки углерода и бора, мало влияющие на фазовый состав. Данный сплав обладает высокой прочностью при повышенных температурах. Его главным недостатком является повышенная плотность (около 5 г/см), что обусловлено высокой концентрацией ниобия.
2
Задачей изобретения является создание нового сплава на основе гамма-алюминида титана, обладающего сочетанием низкой плотности, достаточно высокой температуры солидуса и имеющего стабильный фазовый состав при рабочих температурах в интервале от 600 до 800°С при содержании альфа-2 (α) фазы не менее 20 мас.% и концентрации ниобия в гамма-фазе не менее 3 мас.%.
3
2
Поставленная задача решена тем, что предложен сплав на основе гамма (γ)-алюминида титана, содержащий ниобий и другие переходные металлы, отличающийся тем, что его плотность при комнатной температуре не превышает 4,2 г/см, температура солидуса составляет не менее 1450°С, количества фаз альфа-2 (α) и γ при 600-800°С составляют не менее 20 мас.% и не менее 69 мас.% соответственно, суммарное количество этих фаз составляет не менее 95 мас.%, а концентрация ниобия в γ-фазе составляет не менее 3 мас.%,
В частном исполнении сплав выполнен в виде фасонных отливок.
Сущность изобретения состоит в следующем.
2
2
2
Заданная плотность сплава обеспечивается малым содержанием ниобия и других переходных металлов. Заданная температура солидуса обеспечивается, главным образом, ограничением по концентрации алюминия - не более 46 мол.%. Заданное количество фаз γ и α обеспечивается оптимальным соотношением легирующих добавок и соответствующей термообработкой. Наличие фаз в заявленных пределах при рабочих температурах позволяет получить достаточно дисперсную и однородную структуру, включая малое межпластинчатое расстояние внутри эвтектоидных колоний α+γ. Это позволяет получить достаточно высокий и стабильный комплекс механических свойств при рабочих температурах. При содержании фазы α ниже заявленного значения снижается пластичность. При содержании фазы γ ниже заявленного значения снижаются характеристики жаропрочности. При содержании суммарного количества этих фаз ниже заявленного значения снижаются термическая стабильность механических свойств при рабочих температурах. При концентрации ниобия в γ-фазе менее 3 мас.% снижаются характеристики пластичности и жаропрочности.
ПРИМЕР ВЫПОЛНЕНИЯ
Поскольку рабочие температуры гамма-сплавов достаточно высоки, следует ожидать достижения состояния, близкого к равновесному. Это позволяет проводить количественные оценки с использованием соответствующих диаграмм состояния. На основании расчета с использованием программы Thermo-Calc (база данных TTTIAL, см. www/thermocalc.com) были выбраны сплавы системы Ti-Al-Nb-Cr и Ti-Al-Nb-Zr оптимального состава. В качестве примера в табл.1 приведены параметры фазового состава трех сплавов (1-3), отвечающих изобретению, сравнительно с известными сплавами (4-5)
Таблица 1
Расчетные параметры фазового состава гамма-сплавов
Сплав
<maths num="1"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>T</mi><mi>w</mi><mn>1</mn></msubsup></mrow></math><img file="00000001.tif" he="7" wi="6" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
, °C
Количество фаз при T<sub>W</sub>, мас.%
<maths num="2"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>T</mi><mi>s</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow></math><img file="00000002.tif" he="7" wi="6" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
, °C
<maths num="3"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>C</mi><mrow><mi>N</mi><mi>b</mi></mrow><mn>3</mn></msubsup></mrow></math><img file="00000003.tif" he="7" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
, мас.%
№
Состав, ат.%
α<sub>2</sub>
γ
α<sub>2</sub>
1
Ti - 45, 0Al - 1,3 Nb - 1,7 Cr
600
24,7
71,2
95,9
1468
3,5
700
26,3
70,5
96,8
3,5
800
29,0
69,4
98,4
3,6
2
Ti - 45, 5Al - 1,6 Nb - 1,3 Cr
600
22,3
74,8
97,1
1475
4,2
700
25,0
74,3
99,3
4,3
800
26,0
73,5
99,5
4,3
3
Ti - 45, 3Al - 1,5 Nb - 1,0 Zr
600
27,8
72,2
100
1501
4,0
700
28,3
71,7
100
4,0
800
28,9
71,2
100
3,9
4
Ti - 48,0 Al - 2,0 Nb - 2,0 Cr
600
1,1
93,7
94,8
1424
5,0
700
0,7
94,5
95,2
4,9
800
1,1
93,7
94,8
5,0
5
Ti - 45, 0Al - 7,5 Nb
600
21,5
78,5
100
1501
18,1
700
21,7
78,3
100
18,0
800
21,8
78,2
100
17,8
<sup>1 </sup>- рабочая температура, <sup>2 </sup>температура солидуса, <sup>3 </sup>концентрация ниобия в фазе γ
2
Как видно из табл.1, сплавы 1-3 (отвечающие изобретению) и 5 (прототип) в интервале температур 600-800°C имеют требуемые характеристики фазового состава: температура солидуса превышает 1450°C, количество фаз альфа-2 (α) и γ при 600-800°C составляют не менее 20 мас.% и не менее 69 мас.% соответственно, суммарное количество этих фаз составляет не менее 95 мас.%, а концентрация ниобия в γ-фазе составляет не менее 3 мас.%.
2
Температура солидуса известного сплава 4 составляет менее 1450°C количество фазы α при 600-800°C намного ниже требуемого значения.
3
Сплав №1-4 были приготовлен в виде отливок в вакуумной плавильно-заливочной установке с медным водоохлаждаемым тиглем. Образцы этих сплавов были подвергнуты термообработке (включая ГИП-обработку), после чего была экспериментально определена их плотность (методом взвешивания на аналитических рычажных весах на воздухе и воде). Как видно из табл.2, плотность сплавов 1-3 ниже 4,2 г/см. В известном сплаве, выбранном в качестве прототипа, плотность существенно выше требуемого значения.
Таблица 2
Экспериментально определенная плотность гамма-сплавов
Сплав<sup>1</sup>
D, г/см<sup>3</sup>
1
4,155
2
4,16
3
4,158
5
4,667
<sup>1</sup> см. табл.1
2
В сплавах 1-3 были экспериментально определены количества фаз на рентгеновском дифрактометре. Съемка проводилась на аппарате ДРОН 2 в медном излучении с длиной волны 1.54178 Å в интервале углов 2θ 10-110°C шагом 0,1°. Концентрацию ниобия в γ-фазе определяли на сканирующем электронном микроскопе JSM-6610LV, укомплектованном энергодисперсионной приставкой-микроанализатором INCA SDD X-MAX производства Oxford Instruments и программным обеспечением INCA Energy. Анализировали образцы, отожженные при 800°C в течение 100 часов. Структура сплавов в основном состояла из эвтектоидных колоний α+γ (Фиг.1). Как видно из табл.3, экспериментально определенные значения близки расчетным (табл.1).
Таблица 3
Экспериментально определенные параметры фазового состава сплава 1 после выдержки при 800°C в течение 100 часов
Сплав
Количество фаз, мас.%
<maths num="4"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>C</mi><mrow><mi>N</mi><mi>b</mi></mrow><mn>3</mn></msubsup></mrow></math><img file="00000004.tif" he="7" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
, мас.%
α<sub>2</sub>
γ
1
28,2
70,4
3,8
2
26,7
74,5
4,3
3
27,6
72,3
4,1
в
0,2
Сплав 1 (табл.1) был приготовлен в виде фасонной отливки в форме лопатки (Фиг.2). Отливки были подвергнуты термообработке (включая ГИП-обработку). Затем из них были вырезаны образцы для определения механических свойств на растяжение: временного сопротивление (σ), предела текучести (σ) и относительное удлинение (δ). Испытания проводили при температурах 600-800°C. Из табл.4 видно, что заявленный сплав обладает высокой стабильностью механических свойств, что является следствием стабильности фазового состава при температурах в интервале 600-800°C.
Таблица 4
Механические свойства заявленного сплава (состав 1 в табл.1) при разных температурах
Температура
Временное сопротивление (σ<sub>в</sub>), МПа
Предел текучести (σ<sub>0,2</sub>), МПа
Относительное удлинение (δ), %
600
725
695
2,8
700
735
690
3,5
800
730
680
4,1