ДЕТАЛЬ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, СОДЕРЖАЩАЯ СПЛАВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА
GAS TURBINE ENGINE PART CONTAINING TITANIUM-BASED ALLOY

Уровень техники
Изобретение относится к новым титановым сплавам, имеющим улучшенные механические свойства.
Существующие титановые сплавы могут иметь при температуре окружающей среды низкую и даже нулевую способность к деформации, а также относительно низкую вязкость (в среднем 10-15%). Этот тип поведения связан со способами упрочнения известных титановых сплавов, которые позволяют получить хорошие свойства с точки зрения механической прочности, но при этом могут ограничивать способность к деформации материала и, следовательно, приводить к низкой вязкости.
Следовательно, известные титановые сплавы не является оптимальными материалами для выполнения деталей, которые потенциально могут подвергаться большим деформациям, сохраняя при этом статические свойства на высоком уровне, например, таких как картеры, которые должны обеспечивать задержание предметов в случае засасывания или в случае разрыва деталей. Следовательно, некоторые из известных титановых сплавов невозможно применять для таких целей и их следует заменить сталями, которые являются более тяжелыми.
Поэтому существует потребность в получении новых титановых сплавов, обладающих более высокой способностью к деформации и более высокой вязкостью.
Сущность изобретения
В связи с этим изобретением предложен сплав на основе титана, в котором присутствуют один или несколько легирующих элементов, при этом сплав отвечает следующим условиям:
- 4,10 ≤ ≤ 4,16;
- 10 ≤ Moeq ≤ 14,5;
- 2,77 ≤ Bo ≤ 2,80; и
- 2,34 эВ ≤ Md ≤ 2,38 эВ
i
где Moeq обозначает массовое содержание β-стабилизаторов в молибденовом эквиваленте, где обозначает число валентных электронов элемента i, и x обозначает молярную долю элемента i в сплаве, при этом сумму получают для всех элементов, присутствующих в сплаве, Во обозначает средний тип связи ковалентных связей между титаном и легирующими элементами, и Md обозначает средний уровень энергии в эВ орбиталей d, соответствующий ковалентным связям между титаном и легирующими элементами.
Под «сплавом на основе титана» следует понимать, что титан является основным металлом сплава, то есть сплав содержит титан в массовом содержании, превышающем или равном 50%, например, превышающем или равном 60%, например, превышающем или равном 70%, например, превышающем или равном 80%.
eq
eq
i
i
i
i
i
Величину Mo получают при помощи следующего уравнения: Mo = Σ Moz, где z обозначает массовую долю легирующего элемента i, и Mo соответствует соотношению (β-стабилизирующий легирующий элемент i)/(β-стабилизирующий характер Мо), при этом сумму получают для всех присутствующих в сплаве элементов. Таким образом, сумма относится одновременно к легирующим β-стабилизаторам, а также к легирующим α-стабилизаторам, которые могут присутствовать в сплаве, причем последние имеют отрицательный коэффициент Mo.
i
i
i
Для каждого из легирующих элементов величины Mo и e/a представлены в виде таблицы. Ниже в таблице 1 приведены значения этих величин для нескольких примеров легирующих элементов.
Таблица 1
Al
Sn
Cr
V
Ti
Mo<sub>i</sub>
-1
-0.33
+1,60
+0.67
e<sub>i</sub>/a<sub>i</sub>
3
4
6
5
4
i
i
i
i
i
i
i
i
Во количественно характеризует среднюю силу сцепления ковалентных связей между титаном и легирующими элементами. В частности, величину Во вычисляют следующим образом: Bo = Σ Box, где x обозначает молярную долю элемента i в сплаве, при этом сумма включает в себя все присутствующие в сплаве элементы. Значения Во представлены в табличном виде и приведены в таблице 2 ниже для различных легирующих элементов. Md обозначает средний уровень энергии орбиталей d, соответствующий ковалентным связям в результате взаимодействия между титаном и легирующими элементами. В частности, величину Md вычисляют следующим образом: Md = Σ Mdx, где x обозначает молярную долю элемента i в сплаве, при этом сумма включает в себя все присутствующие в сплаве элементы. Значения Md представлены в табличном виде и приведены в таблице 2 ниже для различных легирующих элементов.
Таблица 2
Al
Sn
Cr
V
Ti
Bo<sub>i</sub>
2,43
2,28
2,78
2,81
2,79
Md<sub>i</sub>
2,20
2,10
1,48
1,87
2,45
eq
Параметры , Mo, Во и Md известны из литературы. В частности, в различных публикациях подробное описано вычисление параметров Во и Md. В связи с этим можно, например, указать публикацию Abdel-Hady et al. “General approach to phase stability and elastic properties of β-type Ti-alloys using electronic parameters”, Scripta Materialia 55 (2006) 477-480, публикацию Marteleur et al. “On the design of new β-metastable titanium alloys with improved work hardening rate thanks to simultaneous TRIP and TWIP effects”, Scripta Materialia 66 (2012) 749-752, и публикацию Sun et al. “Investigation of early stage deformation mechanisms in a metastable β-titanium alloy showing combined twinning-induced plasticity and transformation induced plasticity effects”, Acta Materialia 61 (2013) 6406-6417.
Если только не указано иное, в используемых в дальнейшем химических формулах сплавов число перед химическим элементом является массовым содержанием в % этого элемента в сплаве. Например, сплав Ti-8,5Cr-1,5Al является сплавом на основе титана содержащим Cr с массовым содержанием, равным 8,5%, и Al с массовым содержанием, равным 1,5%.
Предпочтительно сплавы в соответствии с изобретением имеют высокую способность к деформации, высокую нагрузку в момент разрушения, а также хорошую вязкость. Выбор указанных выше интервалов параметров позволяет упрочнить сплав и активировать способы деформации, позволяющие получить повышенную вязкость за счет участия механизмов двойникования (“twinning”) и превращения бета-фазы в альфа-фазу.
В сплавах в соответствии с изобретением предпочтительно активируется комбинация эффекта пластичности, задаваемой двойникованием (эффект “TWIP”: “Twinning Induced Plasticity”), и эффекта пластичности, задаваемой фазовым превращением (эффект “TRIP”: “Transformation Induced Plasticity”). Изобретение представляет собой выбор конкретных сплавов, определяемых при помощи описанных выше параметров, позволяющих одновременно активировать механизм мартенситного превращения, а также механизмы двойникования и скольжения.
Благодаря активации этих явлений, сплавы в соответствии с изобретением могут, в частности, иметь вязкость порядка 40%, сохраняя при этом высокие пределы упругости (сверх 500 МПа). Такие характеристики технологически резко отличаются от характеристик известных сплавов.
В примере осуществления сплав может содержать по меньшей мере один легирующий элемент, выбранный из следующего списка: Cr, Al, Sn и V.
В примере осуществления сплав может содержать в качестве легирующих элементов Cr и Al.
В примере осуществления сплав может содержать в качестве легирующих элементов Cr и Sn.
В примере осуществления сплав может содержать в качестве легирующих элементов V и Al.
Сплав может быть двухкомпонентным сплавом или трехкомпонентным сплавом. Предпочтительно сплав представляет собой трехкомпонентный сплав Ti-Cr-Al или Ti-Cr-Sn. Сплав может представлять собой также трехкомпонентный сплав Ti-V-Al. Сплав может быть также четырехкомпонентным плавом, например, сплавом Ti-10V-4Cr-1Al.
В примере осуществления сплав может содержать в качестве легирующих элементов Cr и Al, и массовое содержание Cr в сплаве может составлять от 6% до 9%, например, от 7% до 9%, а массовое содержание Al в сплаве может составлять от 1% до 3%.
В частности, сплав может иметь следующую формулу: Ti-xCr-yAl, где х составляет от 6 до 9 и даже от 7 до 9, и у составляет от 1 до 3.
В примере осуществления сплав может содержать в качестве легирующих элементов Cr и Sn, и массовое содержание Cr в сплаве может составлять от 6% до 9%, например, от 7% до 9%, а массовое содержание Sn в сплаве может составлять от 1% до 5%.
В частности, сплав может иметь следующую формулу: Ti-x’Cr-zSn, где х’ составляет от 6 до 9 и даже от 7 до 9, и z составляет от 1 до 5.
Сплав в соответствии с изобретением может, в частности, иметь одну из следующих формул:
- Ti-8,5Cr-1,5Al,
- Ti-8,5Cr-1,5Sn,
- Ti-7,5Cr-1Al,
- Ti-7,5Cr-2Al,
- Ti-9,5Cr-1Al,
- Ti-7Cr-1Sn, или
- Ti-13V-2,5Al.
В примере осуществления массовое содержание Cr в сплаве может составлять от 7% до 9%.
Объектом настоящего изобретения является также деталь газотурбинного двигателя, содержащая сплав на основе титана, при этом сплав является:
- трехкомпонентным сплавом Ti-Cr-Al, в котором массовое содержание Cr в сплаве составляет от 6% до 9%, и массовое содержание Al в сплаве составляет от 1% до 3%, или
- трехкомпонентным сплавом Ti-Cr-Sn, в котором массовое содержание Cr в сплаве составляет от 6% до 9%, и массовое содержание Sn в сплаве составляет от 1% до 5%.
Предпочтительно деталь является картером газотурбинного двигателя, например, удерживающим картером газотурбинного двигателя.
Деталь может быть выполнена из вышеупомянутого сплава.
Объектом настоящего изобретения является также газотурбинный двигатель, содержащий вышеупомянутую деталь.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные признаки и преимущества изобретения будут более ясны из нижеследующего описания частных вариантов осуществления изобретения, представленных в качестве не ограничительных примеров, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 и 2 - электронные диаграммы, показывающие расположение примеров сплавов в соответствии с изобретением.
Фиг. 3 - эффект “TRIP”, в котором присутствует явление превращения β-фазы в α”-фазу в сплаве в соответствии с изобретением Ti-8,5Cr-1,5Al.
Фиг. 4А и 4В - фотографии, иллюстрирующие явление двойникования в сплаве Ti-8,5Cr-1,5Sn в соответствии с изобретением.
Фиг. 5 и 6 - результаты испытаний на растяжение сплавов в соответствии с изобретением.
Подробное описание вариантов осуществления
На фиг. 1 и 2 представлены электронные диаграммы, на которых показаны титановые сплавы. Эти электронные диаграммы показывают применяемые механизмы деформаций, когда сплавы подвергаются действию напряжения.
Во показан на оси ординат электронных диаграмм, представленных на фиг. 1 и 2. Как было упомянуто выше, Во количественно характеризует среднюю силу сцепления орбиталей d, соответствующих ковалентным связям между титаном и легирующими элементами.
Md показан на оси абсцисс электронных диаграмм, представленных на фиг. 1 и 2. Как было упомянуто выше, Md обозначает средний уровень энергии орбиталей d, соответствующих ковалентным связям в результате взаимодействия между титаном и легирующими элементами.
На электронных диаграммах на фиг. 1 и 2 показаны различные области, соответствующие различным применяемым механизмам деформации: скольжению (“slip”), двойникованию (“twin”) и мартенситному превращению (“SIM Transformation”: “Stress Induced Martensitic Transformation”).
Несколько примеров сплавов в соответствии с изобретением расположены на электронных диаграммах на фиг. 1 и 2 в зоне, соответствующей активации явлений двойникования. Например, для сплавов в соответствии с изобретением можно получить: 2,77 ≤ Bo ≤ 2,80 и 2,34 эВ ≤ Md ≤ 2,38 эВ.
На фиг. 3 представлена фотография, показывающая получение фазы α” в сплаве в соответствии с изобретением из фазы β (активация механизма превращения фазы β в фазу α” во время приложения напряжения). Предпочтительно активация такого фазового превращения участвует в достижении повышенной вязкости. На фиг. 4А и 4В показана активация явления двойникования в сплаве в соответствии с изобретением, которая тоже участвует в обеспечении повышенной вязкости.
eq
eq
-3
-1
На фиг. 5 показаны результаты испытаний на растяжение, полученные для сплава Ti-8,5Cr-1,5Al. Для этого сплава е/а = 4,129 и Mo = 12,1. Этот сплав имеет повышенную вязкость порядка 40%, нагрузку в момент разрушения 1150 МПа и сохраняет высокий предел упругости. Аналогичные результаты получены для сплава Ti-8,5Cr-1,5Sn, где Mo= 13,6 и е/а = 4,16 (фиг. 6). Испытания на растяжение были проведены при температуре окружающей среды со скоростью деформации 10 с на образцах длиной 50 мм, толщиной 0,5 мм и шириной 5 мм.
Пример
Слиток из сплава Ti-8,5Cr-1,5Al был получен путем прессования элементов: титана в виде губки, хрома в виде гранул и алюминия в виде порошка с применением метода дуговой плавки. В спрессованной смеси были соблюдены следующие массовые содержания: Ti - 90 мас.%, Cr - 8,5 мас.% и Al - 1,5 мас.%. Затем этот слиток подвергли деформации для получения листа толщиной 0,5 мм. Этот лист подвергли термической обработке при 900° в бета-области с последующим быстрым охлаждением. Из этого листа были вырезаны плоские образцы для растяжения и использованы в рамках испытания на растяжение, описанного выше со ссылками на фиг. 5.
Выражение «содержащий» следует понимать как «содержащий по меньшей мере один».
Выражение «составляющий от … до …» или «от… до …» следует понимать «включая пределы».