СПЛАВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА
TITANIUM-BASED ALLOY

Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к производству титановых сплавов, и может быть использовано в конструкциях, работающих при температурах до 650°С, например для деталей корпуса и статорных лопаток компрессора высокого давления газотурбинных двигателей.
Известен сплав на основе титана, имеющий следующий химический состав, мас.%:
Al
5,35-6,1
Sn
3,5-4,5
Zr
3,0-4,5
Mo
0,20-0,70
Nb
0,5-1,0
Si
0,2-0,6
С
0,03-0,10
Ti
остальное
(Патент США №4770726)
Из известного сплава изготавливают детали и узлы авиакосмической техники, в том числе диски, лопатки и другие детали компрессора высокого давления газотурбинных двигателей.
Недостатком сплава на основе титана является относительно низкая прочность полуфабрикатов и деталей в отожженном состоянии. Поэтому указанный сплав применяется преимущественно после упрочняющей термической обработки (закалка в масло и последующее старение). Сплав в термоупрочненном состоянии обладает пониженными характеристиками пластичности и вязкости разрушения и прочности при температурах более 600°С, что ограничивает его применение.
Известен также сплав на основе титана, имеющий следующий химический состав, мас.%:
Al
5,5-6,5
Sn
2,0-4,0
Zr
3,5-4,5
Mo
0,3-0,5
Fe
≤0,03
Si
0,35-0,55
O
≤0,14
Ti
остальное
(Патент ЕР №0269196)
Из известного сплава изготавливают детали и узлы авиакосмической техники, в том числе диски компрессора высокого давления газотурбинных двигателей.
Недостатками сплава являются низкий уровень прочностных характеристик при температурах более 600°С, низкая технологичность при горячей деформации и повышенная чувствительность сплава к примеси железа из-за низкого содержания элементов, что ограничивает применение сплава.
Известен сплав на основе титана, имеющий следующий химический состав, мас.%:
Al
6,2-7,0
Sn
2,2-3,5
Zr
3,5-4,5
Mo
0,4-1,0
Nb
0,5-1,5
Si
0,1-0,22
О
0,05-0,12
С
0,02-0,1
Ti
остальное
(Патент РФ №2039112)
Из известного сплава на основе титана изготавливают детали и узлы авиакосмической техники, в том числе диски, лопатки и статорные детали компрессора высокого давления газотурбинных двигателей.
Недостатками сплава являются низкий уровень термической стабильности из-за высокого суммарного содержания алюминия, олова и циркония, что приводит к охрупчиванию материала после длительных воздействий рабочих температур, относительно низкий уровень прочностных характеристик в интервале рабочих температур.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является сплав на основе титана, имеющий следующий химический состав, мас.%:
Al
5,8-6,6
Sn
2,5-4,5
Zr
2,0-4,0
Mo
0,8-1,5
Nb
0,8-2,5
W
0,35-0,8
Fe
0,06-0,13
Si
0,25-0,45
С
0,05-0,1
О
0,05-0,12
Ti
остальное
(Патент РФ №2259414)
Из известного сплава изготавливают детали и узлы авиакосмической техники, в том числе диски компрессора высокого давления газотурбинных двигателей.
Недостатком сплава является низкий уровень прочностных характеристик при температурах более 600°С из-за относительно большого содержания бета-стабилизирующих элементов, что ограничивает применение сплава температурным диапазоном 550-600°С.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание сплава на основе титана, обладающего повышенными прочностными характеристиками при температурах более 600°С.
Поставленная техническая задача достигается тем, что сплав на основе титана, содержащий алюминий, олово, цирконий, молибден, ниобий, вольфрам, железо, кремний, углерод, кислород, дополнительно содержит ванадий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Al
5,7-6,7
Sn
3,0-4,5
Zr
3,0-4,5
Mo
0,5-1,4
Nb
0,2-0,6
W
0,01-0,3
Fe
0,01-0,07
Si
0,3-0,52
С
0,03-0,10
O
0,03-0,14
V
0,3-0,9
Ti
остальное
при суммарном содержании (V+Nb)≤1,1.
Установлено, что введение в состав сплава ванадия при суммарном его содержании с ниобием ≤1,1, а также ограничение содержания вольфрама (до 0,3%), железа (до 0,07%) при заявленном содержании и соотношении других компонентов, позволяют снизить содержание стабильной бета-фазы в сплаве до 1,5%, в то время как в сплаве-прототипе содержание β-фазы составляет 3%.
Снижение доли стабильной бета-фазы позволяет повысить прочностные свойства сплава при температурах более 600°С. Ограничение содержания вольфрама до 0,3% также способствует повышению эффективности твердорастворного упрочнения углеродом.
Примеры осуществления
Пример 1. Предлагаемый сплав в виде слитков выплавляли методом тройного вакуумно-дугового переплава. Затем слитки подвергали многопереходной ковке. Полученную поковку отжигали по режиму двухступенчатого отжига.
Примеры 2-5 аналогичны примеру 1.
В таблице 1 приведено содержание компонентов выплавленных слитков предлагаемого сплава и сплава-прототипа.
В таблице 2 приведены механические свойства поковок из предлагаемого сплава и сплава-прототипа.
Технический результат : в предлагаемом сплаве пределы текучести и прочности повышены на 10-15,8% при температуре испытания 650°С и на 15-20,4% при температуре испытания 700°С с сохранением высоких показателей механических свойств при комнатной температуре.
Предлагаемый сплав можно использовать для изготовления статорных деталей газотурбинных двигателей, работающих длительно при температурах до 650°С и кратковременно до 700°С.
Использование предлагаемого сплава на основе титана повысит рабочую температуру применения деталей из титановых сплавов (в том числе статорных деталей КВД - направляющих лопаток, колец, проставок, корпусов авиационных газотурбинных двигателей) на 50°С.
Таблица 1
№ п/п
Ti
Al
Sn
Zr
Mo
Nb
W
V
Fe
Si
С
O
(V+Nb)
1
ост.
5,7
3,0
3,0
0,5
0,2
0,01
0,9
0,01
0,3
0,03
0,03
1,1
2
″-″
6,4
3,8
3,8
1,2
0,2
0,15
0,3
0,05
0,4
0,07
0,10
0,5
3
″-″
6,7
4,5
4,5
1,4
0,4
0,3
0,6
0,07
0,52
0,10
0,14
1,0
4
″-″
6,5
4,0
4,0
1,2
0,6
0,2
0,3
0,06
0,45
0,07
0,10
0,9
Прототип
″-″
6,2
3,5
3,5
1,6
1,2
0,5
-
0,1
0,35
0,08
0,08
-
Таблица 2
№ п/п
Предел текучести при 650°С, <maths num="1"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>σ</mi><mrow><mn>0,2</mn></mrow><mrow><mn>650</mn></mrow></msubsup></mrow></math><img file="00000001.tif" he="7" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
, МПа
Предел прочности при 650°С, <maths num="2"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>σ</mi><mi>B</mi><mrow><mn>650</mn></mrow></msubsup></mrow></math><img file="00000002.tif" he="7" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
, МПа
Предел текучести при 700°С, <maths num="3"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>σ</mi><mrow><mn>0,2</mn></mrow><mrow><mn>700</mn></mrow></msubsup></mrow></math><img file="00000003.tif" he="7" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
, МПа
Предел прочности при 700°С, <maths num="4"><math display="block"><mrow><msubsup><mi>σ</mi><mi>B</mi><mrow><mn>700</mn></mrow></msubsup></mrow></math><img file="00000004.tif" he="7" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
, МПа
1
642
738
585
628
2
654
736
612
645
3
678
747
624
661
4
648
744
590
630
Прототип
571
662
497
532