СПЛАВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО
TITANIUM-BASED ALLOY AND ARTICLE MADE THEREFROM

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:
3
5
3
2
5
- формирования на поверхности сплава слоев из смешанных оксидов TiO, (Ti,Al,В)О и (Nb,Ta)O 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
z
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=3,2.
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/м) 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.