ЖАРОПРОЧНЫЙ ТИТАНОВЫЙ СПЛАВ
HEAT RESISTANT TITANIUM ALLOY

Изобретение относится к области металлургии титановых сплавов и может быть использовано для деталей и узлов ракетных и авиационных двигателей, работающих под высокими нагрузками при температурах до 750-800°C.
При изготовлении указанных конструкций необходимо учитывать следующие требования:
- сплав, из которого изготавливается конструкция, должен обладать достаточно стабильным фазовым составом, чтобы избежать охрупчивания в процессе длительного нагружения и обеспечить высокую прочность и сопротивление ползучести при повышенных температурах;
- сплав должен обладать достаточной жаростойкостью при повышенных температурах.
Известен титановый сплав (патент РФ №533050 от 14.08.75, МПК: C22C 14/00). Его химический состав, мас.%:
Алюминий
6,0-7,0
Молибден
3,5-4,5
Цирконий
3,0-4,5
Олово
1,0-2,5
Вольфрам
0,5-1,5
Кремний
0,1-0,3
Титан
остальное
Недостатком этого сплава является недостаточно высокая жаропрочность для деталей и узлов двигателей (он может применяться до температур 500-550°C) и низкая жаростойкость (сплав интенсивно окисляется, начиная с температуры 450°C).
Известен титановый сплав ВТ18У (Б.А.Калачев, В.И.Елагин, В.А.Ливанов Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. - М.: МИСиС, 2005 г., с.217), достаточно широко применяемый в авиационной промышленности для лопаток, дисков компрессоров двигательных установок, имеющий следующий химический состав, мас.%:
Алюминий
6,2-7,3
Молибден
0,4-1,0
Цирконий
3,5-4,5
Ниобий
0,5-1,0
Кремний
0,05-0,2
Олово
2,0-3,0
Титан
остальное
Деформируемый жаропрочный титановый сплав является сплавом на основе α-фазы (псевдо-α-сплавом). Сплав выплавляется в вакуумной дуговой печи методом двойного переплава. Сплав работоспособен до температуры 650°C при длительной эксплуатации. Существенным недостатком сплава из-за высокого содержания алюминия является его термическая нестабильность в процессе выдержки при рабочей температуре, что приводит к снижению пластических свойств металла, более низкая технологическая пластичность при горячей деформации, особенно в литом состоянии, по сравнению с другими титановыми сплавами и низкая жаростойкость: сплав начинает интенсивно окисляться при нагреве выше 500°C.
Известен титановый сплав, принятый за прототип (патент РФ №1804139 от 17.04.91, МПК: С22С 14/00), содержащий, мас.%:
Алюминий
5,5-6,5
Цирконий
19,5-22,5
Молибден
3,0-4,5
Празеодим
0,01-0,02
Гафний
0,005-0,3
Олово
0,2-3,5
Вольфрам
0,5-1,5
Титан
остальное
Заявленный сплав имеет высокий уровень прочности и пластичности при комнатной температуре. Известный титановый сплав получен литейным способом и предназначен для изготовления фасонного литья, поскольку преимущество титановых сплавов как конструкционных материалов в наибольшей степени реализуется при высоком уровне прочности. Сплав выплавляется в вакуумно-дуговой гарниссажной печи. Хотя сплав содержит вольфрам и гафний, но имеет низкую жаропрочность, склонен к охрупчиванию при длительных нагревах из-за высокого содержания циркония.
Задачей предлагаемого изобретения является создание технологичного высокожаропрочного и жаростойкого титанового сплава, работоспособного до температуры 750°C при длительном нагружении и до 800°C при кратковременном нагружении.
Технический результат заключается в обеспечение надежности работы титановых деталей изделий при температурах до 800°C, в улучшении весовых характеристик узлов изделий, работающих при температурах 750-800°C, в 1,5-2 раза за счет замены аналогичных высоконагруженных деталей из жаропрочных никелевых сплавов титановыми.
Поставленная задача достигается тем, что жаропрочный титановый сплав, содержащий алюминий, цирконий, вольфрам, гафний, титан, получен в вакуумно-дуговой печи, при этом для обеспечения сбалансированности химического и фазового составов предлагаемого сплава содержание алюминия Al и вольфрама W должно удовлетворять следующему неравенству: |% W-% Al|≤0,5%. Наилучшие результаты жаропрочного титанового сплава достигаются при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Алюминий
5,0-7,5
Цирконий
3,0-5,0
Вольфрам
5,0-7,5
Гафний
0,005-0,2
Титан
остальное
Жаропрочный титановый сплав получен методом двойного переплава.
Сплав выплавлялся методом двойного переплава в вакуумно-дуговой печи. Для экспериментальной проверки заявляемого состава были выплавлены несколько композиций сплава в виде слитков, из которых были изготовлены кованые прутки d=16 мм, отожженные затем при температуре 800°C в течение одного часа с последующим охлаждением на воздухе.
Из прутков были изготовлены образцы для механических испытаний при нормальных и повышенных температурах, а также образцы для оценки жаростойкости, которая определялась с помощью дериватографа по максимальной температуре, до которой не наблюдалось окисление металла (по привесу).
В таблице представлены результаты проведенных испытаний на растяжение, ударный изгиб, длительную прочность, ползучесть и жаростойкость разработанной композиции сплава. Для сравнения приведены данные для прототипа, аналога титанового сплава ВТ18У и композиций с уровнем легирования ниже и выше, чем для разработанного сплава.
Из таблицы следует, что сплав предлагаемого состава (4-8) заметно превосходит известные титановые сплавы по уровню прочности и жаропрочных характеристик при температурах 750-800°C, а также по стойкости против окисления: максимальная температура нагрева без окисления >800°C против 500°C. Одновременно сплав обеспечивает достаточно высокий уровень пластических и вязких свойств, что обусловливает его надежную работу в высоконагруженных конструкциях. Сплав, соответствующий составу п.9, обладает низкими пластическими свойствами.
Использование заявленного технического решения позволит:
- улучшить весовые характеристики узлов изделий, работающих при температурах 750-800°C, в 1,5-2 раза за счет замены высоконагруженных деталей из жаропрочных никелевых сплавов;
- обеспечить надежность работы титановых деталей изделий при температурах до 800°C за счет исключения процесса проникающего окисления металла.
Результаты проведенных испытаний сплавов
№ п/п
Композиция сплава
Температура испытания, °C
Макс. т-ра нагрева без окисления, °C
20
750
800
σ<sub>0,2</sub>, МПа
σ<sub>B</sub>, МПа
δ, %
ψ, %
KCU, Дж/см2
σ<sub>B</sub>, МПа
σ<sub>100</sub>, МПа
σ<sub>100</sub>, ε<1% МПа
σ<sub>B</sub>, МПа
σ<sub>2, </sub>МПа
σ<sub>2</sub>, ε<1% МПа
1
ВТ18У
932-1128
981-1177
8-11
25-45
20-40
(700) 373
(650) 186
(650) 98
137
-
-
500
2
прототип
1110-1135
1205-1220
5,9-6,0
-
23-24
-
-
-
-
-
-
-
3
Ti-4,7 Al-2,5 Zr-4,8 W-0,004 Hf
1009
1068
16
39
30
440
189
124
245
141
108
780
4
Ti-5,1 Al-3,2 Zr-5,3 W-0,008 Hf
1078
1128
16
36
31
481
206
147
343
176
137
800
5
Ti-5,4 Al-3,5 Zr-5,6 W-0,1 Hf
1099
1164
15
36
30
500
218
148
356
176
139
816
6
Ti-6,0 Al-4,5 Zr-6,0 W-0,12 Hf
1147
1226
13
31
30
517
228
166
370
194
155
830
7
Ti-6,7 Al-5,0 Zr-7,0 W-0,15 Hf
1164
1280
8
20
27
544
239
172
390
204
168
846
8
Ti-7,2 Al-5,0 Zr-7,3 W-0,19 Hf
1226
1324
6
11
25
569
248
177
412
216
187
861
9
Ti-7,7 Al-5,5 Zr-7,8 W-0,24 Hf
1324
1373
4
7
20
611
238
189
441
234
206
890