СПЛАВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПЛЕКТУЮЩЕЙ ДЕТАЛИ ИЗ СПЛАВА НА ОСНОВЕ ТИТАНА С ПОМОЩЬЮ АДДИТИВНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
TITANIUM-BASED ALLOY AND METHOD FOR PRODUCING TITANIUM-BASED ALLOY COMPONENT THROUGH ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGIES

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Область техники, к которой принадлежит настоящая заявка, относится к сплавам на основе титана и способам получения комплектующих деталей из сплава на основе титана.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Комплектующие детали, полученные из сплавов на основе титана, находят широкое применение в авиации и космонавтике благодаря высокому отношению предела прочности к массе, отличной коррозионной стойкости и высокотемпературным свойствам. Однако высокая стоимость сырьевых материалов наряду с высоким соотношением закупленного и использованного материала способствует развитию в авиационно-космической промышленности технологий изготовления деталей с повышенной точностью, в том числе аддитивных технологических процессов.
[0003] Сплавы на основе титана демонстрируют такое поведение при затвердевании, при котором кристаллы высокотемпературной бета-фазы служат центром кристаллизации и вырастают до больших размеров во время аддитивных процессов осаждения. Микроструктура, содержащая крупные зерна, приводит к получению материала с пониженными статическими, а также усталостными свойствами. Кроме того, у удлиненных зерен бета-фазы остается кристаллографическая текстура, что приводит к развитию более анизотропных свойств.
[0004] Кроме того, условие, приводящее к образованию зерен бета-фазы большого размера, также может способствовать образованию альфа-фазы на границе зерен, что, при жестком условии, способствует незначительному удлинению. Еще одна проблема, возникающая во время аддитивных технологических процессов, состоит в сочетании медленного затвердевания (более низкой скорости охлаждения) с высоким температурным градиентом - такая комбинация особенно способствует образованию крупных, удлиненных зерен. Таким образом, указанные недостатки ограничивают использование сплавов на основе титана в аддитивном производстве в самых важных областях применения, таких как области, рассчитанные на усталость при циклическом нагружении или термическую усталость, или области, рассчитанные на статические свойства при более низких пределах способности к растяжению. Соответственно, специалисты в данной области техники продолжают научно-исследовательские работы в области сплавов на основе титана и способов получения комплектующих деталей из сплавов на основе титана с помощью аддитивного технологического процесса.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0005] Согласно одному из вариантов реализации сплав на основе титана содержит в сумме от 0,001 до 1,0% масс. по меньшей мере одного элемента из ряда лантаноидов, остаток в виде титана и примеси.
[0006] Согласно другому варианту реализации, способ получения комплектующей детали из сплава на основе титана включает обеспечение исходного материала сплава на основе титана, содержащего в сумме от 0,001 до 1,0% по массе по меньшей мере одного элемента из ряда лантаноидов, остаток в виде титана и примеси, и формирование комплектующей детали из сплава на основе титана из исходного материала сплава на основе титана с помощью аддитивного технологического процесса.
[0007] Другие варианты реализации предложенного сплава на основе титана и способа получения комплектующей детали из сплава на основе титана станут очевидны из приведенного ниже подробного описания, прилагаемых чертежей и прилагаемой формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0008] Фиг. 1 представляет собой блок-схему, на которой показан способ получения комплектующей детали из сплава на основе титана;
[0009] На фиг. 2А, 2В и 2С показаны микроструктуры экспериментальных сплавов в состоянии непосредственно после отливки;
[0010] На фиг. 3А-3I показаны микроструктуры экспериментальных сплавов после отжига;
[0011] На фиг. 4А и 4В показаны микроструктуры, содержащие интерметаллические частицы, богатые элементами из ряда лантаноидов;
[0012] Фиг. 5 представляет собой схему последовательности операций при производстве воздушного судна и методологии обслуживания воздушного судна; и
[0013] Фиг. 6 представляет собой структурную схему воздушного судна.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0014] Настоящее описание относится к сплаву на основе титана, содержащему в сумме от 0,001 до 1,0% по массе по меньшей мере одного элемента из ряда лантаноидов. Сплав на основе титана определяют как любой сплав, содержащий более 50% по массе титана.
[0015] Согласно одному из аспектов сплав на основе титана содержит дополнительные количества по меньшей мере одного элемента, выбранного из алюминия (Al), циркония (Zr), олова (Sn), кислорода (О), молибдена (Мо), ванадия (V), ниобия (Nb), железа (Fe) и хрома (Cr), при этом указанные количества определяются на основе значений их алюминиевого эквивалента и молибденового эквивалента, при этом алюминиевый эквивалент (Al-eq) составляет от 0 до 7,5% и молибденовый эквивалент (Mo-eq) составляет от 2,7 до 47,5 и при этом Al-eq и Mo-eq определяются следующим образом:
[0016] Al-eq=Al%+Zr%/6+Sn%/3+10×(O%)
[0017] Mo-eq=Mo%+0,67×V%+0,33×Nb%+2,9×Fe%+1,6×Cr%
[0018] Элементы из ряда лантаноидов включают лантан (La), церий (Се), празеодим (Pr), неодим (Nd), прометий (Pm), самарий (Sm), европий (Eu), гадолиний (Gd), тербий (Tb), диспрозий (Dy), гольмий (Но), эрбий (Er), тулий (Tm), иттербий (Tb) и лютеций (Lu). Перечисленные элементы называют «элементами из ряда лантаноидов», поскольку все указанные элементы в ряду лантаноидов являются химически подобными.
[0019] Небольшие количества элементов из ряда лантаноидов добавляют в сплав на основе титана согласно настоящему описанию для уменьшения склонности к образованию крупных зерен в процессе затвердевания. Хотя настоящее изобретение не ограничено теорией, полагают, что этот эффект добавления элементов из ряда лантаноидов обусловлен их высоким сродством к кислороду, склонностью к образованию кластеров в жидкой фазе и низкой растворимостью в твердой фазе, при это все из перечисленных свойств обычно возмущают фронт на границе раздела твердой/жидкой фаз в процессе затвердевания, что, тем самым, препятствует росту крупных зерен и приводит к более мелкому размеру зерен в затвердевшей микроструктуре. Более мелкий размер зерен в затвердевшем сплаве на основе титана обеспечивает лучшие прочность, пластичность и усталостные свойства.
[0020] Минимальное общее количество одного или более элементов из ряда лантаноидов в сплаве на основе титана составляет 0,001%, предпочтительно 0,01% по массе. Если общее количество одного или более элементов из ряда лантаноидов является слишком низким, предполагаемый эффект не достигается.
[0021] Максимальное общее количество одного или более элементов из ряда лантаноидов составляет 1,0%, предпочтительно 0,5% по массе. Если общее количество одного или более элементов из ряда лантаноидов является слишком высоким, затраты на добавление указанных элементов из ряда лантаноидов становятся слишком большими.
[0022] Соответственно, сплав на основе титана согласно настоящему описанию содержит в общей сложности один или более элементов из ряда лантаноидов в количестве от 0,001 до 1,0% по массе и предпочтительно в количестве от 0,01 до 0,5% по массе.
[0023] Согласно одному из аспектов один или более элементов из ряда лантаноидов выбирают из неодима (Nd), гадолиния (Gd), диспрозия (Dy) и эрбия (Er), при этом сплав на основе титана содержит в сумме от 0,001 до 1,0% по массе, предпочтительно от 0,01 до 0,5% по массе Nd, Gd, Dy и Er.
[0024] В конкретном примере элемент из ряда лантаноидов представляет собой гадолиний (Gd), при этом сплав на основе титана содержит от 0,001 до 1,0% по массе, предпочтительно от 0,01 до 0,5% по массе Gd.
[0025] С учетом фаз, существующих при комнатной температуре, титановые сплавы можно разделить на три основных класса: альфа, альфа-бета и бета. Каждый класс имеет отличительные хорошо известные характеристики. Для стабилизации различных фаз титана в сплавы на основе титана добавляют альфа- и бета-стабилизаторы.
[0026] Сплавы на основе титана согласно настоящему описанию включают альфа-, альфа-бета- и бета-классы сплавов на основе титана, в которые добавляют один или более элементов из ряда лантаноидов, как описано выше. Соответственно, сплав на основе титана может дополнительно включать различные альфа- и/или бета-стабилизаторы.
[0027] Согласно конкретному аспекту сплав на основе титана представляет собой сплав на основе титана с альфа-бета-структурой. Альфа-бета-сплавы на основе титана обладают отличной коррозионной стойкостью и высокотемпературными свойствами и могут подвергаться термической обработке с обеспечением высоких значений прочности. По этим и другим причинам альфа-бета-сплавы являются особенно привлекательными для комплектующих деталей, получаемых с применением аддитивных технологических процессов. Однако затвердевание альфа-бета-сплавов на основе титана может привести к образованию крупных зерен высокотемпературной бета-фазы, которые служат центром кристаллизации и вырастают до больших размеров во время аддитивных процессов осаждения. Такие зерна с большими размерами ухудшают пластичность, прочность и другие свойства титановых альфа-бета-сплавов. Соответственно, влияние добавления небольших количеств элементов из ряда лантаноидов на уменьшение склонности к образованию крупных зерен в процессе затвердевания может оказаться особенно полезным в отношении альфа-бета-сплавов на основе титана. Типичные общепринятые альфа-бета-сплавы на основе титана включают, например, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, Ti-6Al-4Zr-0,5Nb-0,8Mo-3Sn-0,3Si (VT18Y) и Ti-6Al-4V.
[0028] В одном примере альфа-бета-сплав на основе титана согласно настоящему описанию может содержать, в массовых процентах, от 5,0 до 7,0% (предпочтительно от 5,5 до 6,5%) алюминия (Al), от 1,0 до 3,0% (предпочтительно от 1,5 до 2,5%) олова (Sn), от 3,0 до 5,0% (предпочтительно от 3,5 до 4,5%) циркония (Zr), от 1,0 до 3,0% (предпочтительно от 1,5 до 2,5%) молибдена (Мо) и в сумме от 0,001 до 1,0% (предпочтительно от 0,01 до 0,5%) одного или более элементов из ряда лантаноидов, остаток в виде титана и примеси. Таким образом, сплав на основе титана можно определить как вариант сплава Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo.
[0029] В другом примере альфа-бета-сплав на основе титана согласно настоящему описанию может содержать, в массовых процентах, от 5,0 до 7,0% (предпочтительно от 5,5 до 6,5%) алюминия (Al), от 3,0 до 5,0% (предпочтительно от 3,5 до 4,5%) циркония (Zr), от 0,01 до 1,0% (предпочтительно от 0,25 до 0,75%) ниобия (Nb), от 0,01 до 1,5% (предпочтительно от 0,5 до 1,0%) молибдена (Мо), от 2,0 до 4,0% (предпочтительно от 2,5 до 3,5%) олова (Sn), от 0,01 до 1,0% (предпочтительно от 0,1 до 0,5%) кремния (Si) и в сумме от 0,001 до 1,0% (предпочтительно от 0,01 до 0,5%) одного или более элементов из ряда лантаноидов, остаток в виде титана и примеси. Таким образом, сплав на основе титана можно определить как вариант Ti-6Al-4Zr-0,5Nb-0,8Mo-3Sn-0,3Si ("VT18Y").
[0030] В еще одном примере альфа-бета-сплав на основе титана согласно настоящему описанию может содержать от 5,0 до 7,0% (предпочтительно от 5,5 до 6,5%) алюминия (Al), от 3,0 до 5,0% (предпочтительно от 3,5 до 4,5%) ванадия (V) и в сумме от 0,001 до 1,0% (предпочтительно от 0,01 до 0,5%) одного или более элементов из ряда лантаноидов, остаток в виде титана и примеси. Таким образом, сплав на основе титана можно определить как вариант сплава Ti-6Al-4V.
[0031] Согласно одному из аспектов сплав на основе титана может быть в виде исходного материала, который можно подвергнуть расплавлению и затвердеванию с получением комплектующей детали, имеющей перечисленный выше состав. В одном примере исходный материал может быть в форме проволоки, имеющей перечисленный выше состав. В другом примере исходный материал может быть в форме частиц порошка, имеющих перечисленный выше состав, или исходный материал может быть в форме частиц порошка с разными составами, которые, при объединении, имеют перечисленный выше состав.
[0032] Типичный исходный материал в форме частиц порошка можно получить любым подходящим способом (например, путем газового распыления). В одном примере частицы порошка можно получить из подходящих исходных материалов в атмосфере, не содержащей загрязнителей. Исходные материалы можно подвергнуть многократному расплавлению, при этом первый расплав получают путем плавления с расходуемым электродом, с нерасходуемым электродом, путем электронно-лучевого плавления в холодном тигле или плазменно-дугового плавления в холодном тигле и последующий расплав или расплавы получают в вакууме с применением технологии вакуумно-дугового переплава (VAR), в которой легирующие добавки вводят перед конечной VAR плавкой. Атмосфера для плавления с нерасходуемым электродом может представлять собой вакуум или аргон и/или гелий при абсолютном давлении, меньшем или равном 1000 мм ртутного столба. Размер типичных частиц порошка не ограничен. В одном примере частицы порошка могут иметь такие размеры, которые позволяют им проходить через сито №35 (500 мкм), при этом не более 5% по массе частиц проходит через сито №325 (45 мкм), как определено согласно ASTM В 214. Плотность типичных частиц порошка не ограничена. В одном примере плотность частиц порошка может составлять 60% или более от значения плотности уплотненного материала в горячем состоянии, как определено согласно ASTM В 527.
[0033] Типичный исходный материал в форме проволоки можно получить любым подходящим способом (например, путем вытягивания).
[0034] Согласно другому аспекту сплав на основе титана может быть в форме комплектующей детали, имеющей перечисленный выше состав, при этом указанная комплектующая деталь представляет собой комплектующую деталь, изготавливаемую сразу в окончательной форме и имеющую ее окончательный размер и форму, или представляет собой комплектующую деталь с формой, близкой к заданной, которую можно подвергнуть последующей обработке с получением комплектующей детали, имеющей ее окончательный размер и форму. Форма и размер комплектующей детали не ограничены. В одном примере комплектующая деталь представляет собой комплектующую деталь воздушного судна или космического корабля.
[0035] Типичную комплектующую деталь, формируемую из сплава на основе титана, можно получить любым подходящим способом. Одно из преимуществ сплава на основе титана согласно настоящему описанию состоит в уменьшении его склонности к образованию крупных зерен в процессе затвердевания. Соответственно, сплав на основе титана согласно настоящему описанию можно преимущественно применять в таких технологических процессах, как аддитивные технологические процессы, в которых избежание образования крупных зерен в процессе затвердевания было бы большим преимуществом.
[0036] Как показано на фиг. 1, настоящее описание относится к способу получения комплектующей детали 10 из сплава на основе титана, включающему обеспечение исходного материала сплава на основе титана, содержащего в сумме от 0,001 до 1,0% по массе по меньшей мере одного элемента из ряда лантаноидов, остаток в виде титана и примеси 12, и формирование комплектующей детали из сплава на основе титана из исходного материала 14 сплава на основе титана с помощью аддитивного технологического процесса.
[0037] Согласно одному из аспектов аддитивный технологический процесс включает нагревание сплава на основе титана до температуры выше или в пределах температурного интервала плавления сплава на основе титана. Тем самым добавление в сплав на основе титана по меньшей мере одного элемента из ряда лантаноидов позволяет уменьшить склонность к образованию крупных зерен в процессе затвердевания во время охлаждения от температуры выше или в пределах температурного интервала плавления до температуры ниже температурного интервала плавления сплава на основе титана.
[0038] Аддитивный технологический процесс, используемый для получения комплектующей детали, формируемой из сплава на основе титана, не является ограниченным. Аддитивный технологический процесс может включать процесс подачи порошка или процесс подачи проволоки, в котором порошок или проволока получены из сплава на основе титана.
[0039] В одном примере аддитивное производство с применением порошка может включать стадии: (i) осаждения первого слоя порошкового материала; (ii) по меньшей мере частичного плавления и затвердевания первой части первого слоя порошкового материала, при этом указанная первая часть соответствует первому участку комплектующей детали; (iii) осаждения второго слоя порошкового материала на указанный первый слой; (iv) по меньшей мере частичного плавления и затвердевания второй части второго слоя порошкового материала, при этом указанная вторая часть соответствует второму участку комплектующей детали, при этом первый участок и второй участок соединены друг с другом; и (v) осаждения последующих слоев порошкового материала на предыдущие слои и по меньшей мере частичного плавления и затвердевания части каждого последующего слоя с получением комплектующей детали, при этом указанная каждая часть последующего слоя соответствует последующему участку комплектующей детали.
[0040] В другом примере аддитивный технологический процесс с применением проволоки может включать стадии: (i) плавления, осаждения и затвердевания первой части проволочного материала с формированием первого участка комплектующей детали; (ii) плавления, осаждения и затвердевания второй части проволочного материала с формированием второго участка комплектующей детали, при этом первый участок и второй участок соединены друг с другом; и (iii) плавления, осаждения и затвердевания последующих частей проволочного материала с формированием последующих участков комплектующей детали на предыдущих участках указанной детали.
[0041] Типичные аддитивные технологические процессы включают электронно-лучевое плавление (ЕВМ), селективное лазерное плавление (SLM), селективное лазерное спекание (SLS), лазерную металлообработку (LMF), прямое лазерное спекание металлов (DMLS) и прямое лазерное плавление металлов (DMLM).
[0042] Экспериментальный пример
[0043] Для определения влияния элементов из ряда лантаноидов на затвердевание сплавов на основе титана посредством дуговой сварки вольфрамовым электродом в среде защитного газа (GTAW) были получены четыре экспериментальных альфа-бета-сплава на основе титана, имеющих составы, указанные в таблице 1.
[0044] Влияние добавления элементов из ряда лантаноидов на полученную структуру в состоянии отливки показано на фиг. 2А, 2В и 2С. На фиг. 2А показаны, слева направо, микроструктуры зон плавления сплавов №№1, 2, 3, 4, соответственно, в состоянии непосредственно после отливки. На фиг. 2В показано увеличенное изображение части микроструктуры сплава №1 и на фиг. 2С показано увеличенное изображение части микроструктуры сплава №4. Как видно на фиг. 2А, 2В и 2С, добавление элементов из ряда лантаноидов в сплавы №№2, 3 и 4 приводит к уменьшению размера зерен бета-фазы 20 в зоне плавления по сравнению со сплавом №1, в котором в зоне плавления можно видеть крупные удлиненные зерна бета-фазы 20.
[0045] На фиг. 3А-3I показано влияние добавления элементов из ряда лантаноидов на указанную структуру после отжига при 900°C в течение 60 минут с последующим воздушным охлаждением. На фиг. 3А, 3В и 3С показаны микроструктуры основного металла, зоны термического влияния и зоны плавления, соответственно, для сплава №1. На фиг. 3D, 3Е и 3F показаны микроструктуры основного металла, зоны термического влияния и зоны плавления, соответственно, для сплава №2. На фиг. 3G, 3Н и 3I показаны микроструктуры основного металла, зоны термического влияния и зоны плавления, соответственно, для сплава №3. Как видно на фиг. 3А-3I, размер зерен бета-фазы уменьшается в зоне плавления сплавов на основе титана, содержащих элементы из ряда лантаноидов.
[0046] На фиг. 4А и 4В показаны микроструктуры, содержащие интерметаллические частицы 40, 42, богатые элементами из ряда лантаноидов. В таблице 2 приведены результаты анализа химических составов интерметаллических частиц 40, 42.
[0047] Хотя настоящее изобретение не ограничено теорией, считается, что указанные интерметаллические частицы, богатые элементами из ряда лантаноидов, образуются и образуют кластеры в процессе затвердевания и возмущают фронт затвердевания на границе раздела твердой/жидкой фаз и что, тем самым, ограничивают рост крупных зерен высокотемпературной бета-фазы, что приводит к более мелкому размеру зерен в затвердевшей микроструктуре.
[0048] Примеры сплава на основе титана и способ получения комплектующей детали из сплава на основе титана можно описать в контексте способа 100 производства и технического обслуживания воздушных судов, как показано на фиг. 5, и воздушного судна 102, как показано на фиг. 6. Во время предсерийного производства способ 100 производства и технического обслуживания воздушного судна может включать спецификацию и проектирование 104 воздушного судна 102 и материальное снабжение 106. Во время производства происходит изготовление 108 комплектующих деталей/сборочных узлов и интеграция 110 систем воздушного судна 102. После этого воздушное судно 102 может пройти процедуру сертификации и доставки 112 для введения в эксплуатацию 114. При эксплуатации покупателем для воздушного судна 102 составляют график регулярного технического обеспечения и обслуживания 116, который также может включать модификацию, перестройку, переоборудование и т.п.
[0049] Каждый из указанных процессов предложенного способа 100 можно осуществить или выполнить с помощью системного интегратора, сторонней организации и/или оператора (например, покупателя). Для целей настоящего описания системный интегратор может без ограничения включать любое количество самолетостроительных предприятий и субподрядчиков для производства основных систем; сторонняя организация может без ограничения включать любое количество продавцов, субподрядчиков и поставщиков; и оператор может представлять собой авиакомпанию, лизинговую компанию, военные власти, организацию технического обслуживания и т.п.
[0050] Предложенный сплав на основе титана и способ получения комплектующей детали из сплава на основе титана можно использовать во время любой одной или более стадий способа 100 производства и технического обслуживания воздушного судна, включающего спецификацию и проектирование 104 воздушного судна 102, материальное снабжение 106, изготовление 108 комплектующих деталей/сборочных узлов, интеграцию 110 систем, сертификацию и доставку 112, введение воздушного судна в эксплуатацию 114 и регулярное техническое обеспечение и обслуживание 116.
[0051] Как показано на фиг. 6, воздушное судно 102, произведенное согласно типичному способу 100, может содержать корпус 118 с множеством систем 120 и внутреннюю часть 122. Примеры множества систем 120 могут включать одну или более силовую установку 124, электрическую систему 126, гидравлическую систему 128 и систему 130 жизнеобеспечения. Может быть включено любое количество других систем. Предложенный сплав на основе титана и способ получения комплектующей детали из сплава на основе титана можно использовать для изготовления любой из систем воздушного судна 102, включая корпус 118, множество систем 120 и внутреннюю часть 922.
[0052] Предложенный сплав на основе титана и способ получения комплектующей детали из сплава на основе титана описан применительно к воздушному судну; однако обычный специалист в данной области техники легко поймет, что предложенный сплав на основе титана и способ получения комплектующей детали из сплава на основе титана можно использовать при изготовлении любых транспортных и нетранспортных средств. Например, внедрение описанных в настоящем документе вариантов реализации можно осуществить в любом типе транспортного средства, включая, например, вертолеты, пассажирские суда, автомобили и тому подобное.
[0053] Хотя в настоящем документе были продемонстрированы и описаны различные варианты реализации предложенного сплава на основе титана и способа получения комплектующей детали из сплава на основе титана, после прочтения описания настоящего изобретения специалисты в данной области техники могут придумать другие модификации. Настоящая заявка включает такие модификации и ограничена только объемом формулы изобретения.