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

Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно к созданию жаропрочных сплавов на основе титана, используемых для изготовления широкой номенклатуры деформированных полуфабрикатов и деталей (в том числе лопаток, дисков, проставок, корпусов, листов), которые могут быть использованы в силовых конструкциях авиационной и космической техники, энергетических установок, ракет, длительно работающих при температурах до 700°С. Известен жаропрочный сплав на основе титана, имеющий следующий химический состав, мас. % (см. Патент ЕР №0924308 В1, опубл. 02.05.2002 г.):
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°С.
Недостатками известного сплава из-за повышенной плотности являются: невысокие значения удельной кратковременной прочности при комнатной температуре и при температуре 650°С, а также длительной прочности при температурах до 650°С. В следствие повышенного окисления известного сплава элементы конструкции имеют ограниченный ресурс.
Известен сплав на основе титана, имеющий следующий химический состав, мас. % (см. Патент РФ №2 405 849, опубл. 10.12.2010 г.):
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
Из известного сплава изготавливают полуфабрикаты для деталей компрессора газотурбинного двигателя. Данный сплав обладает повышенной жаростойкостью при температурах до 700°С.
Недостатками известного сплава являются: повышенная плотность сплава, обусловленная введением «тяжелого» тугоплавкого тантала в количестве до 1,5 мас. %, и недостаточно высокие значения пластичности при комнатной температуре.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является сплав на основе титана, имеющий следующий химический состав, мас. % (см. Патент РФ №2210612, опубл. 20.08.2003 г.):
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
Сплав, известный из прототипа, относится к сплавам на основе титана. Он обладает высокими значениями пластических свойств при комнатной температуре, что позволяет изготавливать из него тонкие листы и фольгу, а также различные деформируемые полуфабрикаты.
Недостатками сплава являются низкие значения прочности при комнатной температуре, кратковременной и длительной прочности при повышенных температурах. Рабочая температура сплава ограничена 650°С, что связано с отсутствием таких тугоплавких элементов, как тантал и вольфрам.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание жаропрочного сплава на основе титана, легированного редкоземельными металлами (РЗМ), обладающего повышенной прочностью при температурах 20 и 700°С и предназначенного для изготовления полуфабрикатов широкого сортимента (листы, плиты, прутки, поковки, штамповки) и сложнопрофильных конструкций, в том числе лопаток сложной геометрии.
Технический результат - повышение прочностных характеристик при комнатной и повышенных температурах до 700°С.
Поставленный технический результат достигается с помощью жаропрочного сплава на основе титана, содержащего алюминий, ниобий, молибден, ванадий, цирконий, кремний, дополнительно содержащий вольфрам, тантал и гадолиний, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
алюминий
10,5-12,5
ниобий
38,5-42,0
молибден
0,5-1,5
ванадий
0,5-1,5
цирконий
1,0-2,5
вольфрам
0,3-1,0
тантал
0,3-1,0
кремний
0,1-0,25
гадолиний
0,02-0,6
титан и примеси
остальное
Авторами было установлено, что для реализации высокой прочности сплава и конечных изделий из этого сплава необходимо дополнительное введение «бета»-стабилизирующих элементов вольфрама и тантала, обеспечивающих твердофазное упрочнение и стабилизацию фазового состава.
Предпочтительно, суммарное содержание вольфрама и тантала составляет 0,6-1,6 мас. %.
3
3
В связи с высокой удельной плотностью «бета»-стабилизирующих элементов вольфрама (19,3 г/см) и тантала (16,65 г/см) превышение их суммарного содержания в сплаве более 2,0 мас. % нежелательно, поскольку приводит к повышению плотности сплава и снижению удельных прочностных свойств.
2
Указанное содержание алюминия в сплаве обеспечивает сочетание прочностных и пластических свойств. Превышение содержания алюминия 12,5 мас. % приводит к увеличению количества α-фазы и, как следствие, к снижению технологичности сплава.
Отсутствие дополнительного легирования углеродом, который способствует к образованию карбидов, позволяет повысить пластические свойства сплава, а также прочностные характеристики.
Дополнительное легирование гадолинием при заявленном соотношении и содержании компонентов приводит к образованию дисперсных частиц тугоплавких соединений с гадолинием, усиливающих границы зерен, в том числе при высокотемпературных выдержках в процессе деформационной и термической обработки и приводит к повышению прочностных характеристик. Превышение указанного интервала легирования приводит к снижению технологических свойств, в результате выделения большого количества дисперсных частиц. По этой же причине содержание кремния не должно превышать 0,35 мас. %, поскольку происходит образование большого количества силицидов.
2
Разработанный состав жаропрочного сплава на основе титана в сочетании с упрочняющей двухступенчатой термической обработкой, обеспечивает формирование тонкопластинчатой (Q+β)-структуры с дисперсными частицами α-фазы и оксидов гадолиния, которые позволяют достичь высоких значений заявленных прочностных и пластических свойств.
Примеры осуществления
Слитки предлагаемого сплава изготавливали по технологии производства титановых сплавов, включающей изготовление расходуемого электрода и выплавку слитков многократным вакуумно-дуговым переплавом для получения однородного химического состава.
Составы предлагаемого сплава (№1-3) и сплава, известного из прототипа (№4), приведены в таблице 1.
2
2
Механически обточенные слитки подвергались осадке, всесторонней ковки в обычных или квази-изотермических условиях на плиты. Плиты обтачивались по всем поверхностям «как чисто» и прокатывались на сутунку с целью изготовления лопаточных заготовок. Лопаточные заготовки термически обрабатывались по двухступенчатому режиму, включающему выдержку заготовок в двухфазной (β+α)-области и трехфазной (Q+β+α)-области, после чего из них вырезались образцы для механических испытаний. Свойства предполагаемого сплава (№1-3) и сплава, известного из прототипа (№4) представлены в таблице 1.
Предлагаемый сплав превосходит сплав, известный из прототипа по пределу прочности при температуре 20°С на 6-9%, и по пределу прочности при 700°С на 9-12%.
Использование предлагаемого жаропрочного сплава на основе титана позволяет изготавливать детали различного сортамента и сложнопрофильных конструкций, в том числе лопаток сложной геометрии, что позволить снизить их вес за счет более высокого уровня прочности и повысить надежность по сравнению с традиционно применяемыми титановыми сплавами.