Интерметаллидный сплав на основе титана и изделие из него
INTERMETALLIDE TITANIUM-BASED ALLOY AND PRODUCT THEREOF

2
Группа изобретений относится к области цветной металлургии, а именно к интерметаллидным сплавам на основе титана (интерметаллидной О-фазы TiAlNb) 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.
2
2
2
3
По фазовому составу это двухфазные O+β/В2 или трехфазные O+β/В2+α-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 TiAlNb) и α-фазу (TiAl), 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.
2
Технической задачей группы изобретений является создание интерметаллидного сплава на основе титана (интерметаллидной О-фазы TiAlNb), 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).
2
2
3
2
3
2
3
19
2
a
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 TiAlNb) и α-фаза (TiAl), которые повышают жаропрочные свойства, но негативно влияют на пластичность. Интерметаллидная орто-фаза (TiAlNb) имеет упорядоченную орторомбическую решетку (тип Cmnn) с параметрами: =0,6125 нм, b=0,955 нм, c=0,467 нм, в которой некоторые узлы, занятые атомами титана в решетке алюминида TiAl, замещены атомами ниобия. Интерметаллидная α-фаза (TiAl) является упорядоченной фазой со сверхструктурной решеткой типа DO. Увеличение содержания алюминия выше установленного интервала (10,5-12,5 мас. %) приводит к резкому снижению пластических свойств за счет повышения количества интерметаллидной α-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.
2
2
Для достижения высокого комплекса свойств интерметаллидного сплава на основе титана (интерметаллидной О-фазы TiAlNb) проводится упрочняющая термическая обработка, которая включает две ступени. Микроструктура после термической обработки представлена дисперсными частицами интерметаллидной α-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.
2
Для обеспечения уровня механических свойств катаные плиты подвергали двухступенчатому режиму термической обработки. Окончательную термическую обработку проводили в трехфазной (O+β+α) - 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.