ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ
HIGH-TEMPERATURE TITANIUM ALLOYS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001]
Данное описание изобретения относится к высокотемпературным титановым сплавам.
ОПИСАНИЕ УРОВНЯ ТЕХНИКИ
[0002]
Титановые сплавы обычно демонстрируют высокое соотношение прочности к массе, являются устойчивыми к коррозии и устойчивыми к ползучести при умеренно высоких температурах. Например, сплав Ti-5Al-4Mo-4Cr-2Sn-2Zr (также обозначаемый как «сплав Ti-17», имеющий состав, указанный в UNS R58650) является коммерческим сплавом, который широко используется для применений в реактивных двигателях, требующих сочетания высокой прочности, сопротивления усталости и вязкости разрушения при рабочих температурах до 800°F (примерно 427°C). Другие примеры титановых сплавов, используемых для высокотемпературных применений, включают сплав Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (имеющий состав, указанный в UNS R54620) и сплав Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr (также обозначаемый как «Beta-C», имеющий состав, указанный в UNS R58640). Однако в этих сплавах существуют пределы сопротивления ползучести и/или прочности при растяжении при повышенных температурах. Поэтому появилась потребность в титановых сплавах, имеющих улучшенное сопротивление ползучести и/или прочность при растяжении при повышенных температурах.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0003]
Согласно одному неограничивающему аспекту данного изобретения титановый сплав содержит, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава: от 5,5 до 6,5 алюминия; от 1,9 до 2,9 олова; от 1,8 до 3,0 циркония; от 4,5 до 5,5 молибдена; от 4,2 до 5,2 хрома; от 0,08 до 0,15 кислорода; от 0,03 до 0,20 кремния; от 0 до 0,30 железа; титан; и примеси.
[0004]
Согласно еще одному неограничивающему аспекту данного изобретения титановый сплав содержит, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава: от 5,1 до 6,1 алюминия; от 2,2 до 3,2 олова; от 1,8 до 3,1 циркония; от 3,3 до 4,3 молибдена; от 3,3 до 4,3 хрома; от 0,08 до 0,15 кислорода; от 0,03 до 0,20 кремния; от 0 до 0,30 железа; титан; и примеси.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0005]
Признаки и преимущества описанных здесь сплавов, изделий и способов могут быть лучше поняты при обращении к прилагаемым чертежам, на которых:
[0006]
на фиг. 1 изображен график, иллюстрирующий неограничивающий вариант реализации способа обработки неограничивающего варианта реализации титанового сплава по данному изобретению;
[0007]
на фиг. 2 представлено полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии изображение (в режиме обратного рассеяния электронов) титанового сплава, обработанного как на фиг. 1, на котором «a» обозначает первичную α-фазу, «b» обозначает зернограничную α-фазу, «с» обозначает пластинки α-фазы, «d» обозначает вторичную α-фазу, а «e» обозначает силицид;
[0008]
на фиг. 3 представлено полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии изображение (в режиме обратного рассеяния электронов) сравнительного обработанного на твердый раствор и состаренного титанового сплава, на котором «a» обозначает первичную α-фазу, «b» обозначает граничную α-фазу, «с» обозначает пластинки α-фазы, а «d» обозначает вторичную α-фазу.
[0009]
на фиг. 4 изображен график зависимости предела прочности при растяжении от температуры для неограничивающих вариантов реализации титанового сплава по данному изобретению, сравнивающий эти свойства со сравнительным титановым сплавом и обычными титановыми сплавами;
[0010]
на фиг. 5 изображен график зависимости предела текучести от температуры для неограничивающих вариантов реализации титанового сплава по данному изобретению, сравнивающий эти свойства со сравнительным титановым сплавом и обычными титановыми сплавами; и
[0011]
на фиг. 6 представлено полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии изображение (в режиме обратного рассеяния электронов) неограничивающего варианта реализации титанового сплава по данному изобретению, на котором «а» обозначает зернограничную α-фазу, «b» обозначает пластинки α-фазы, «с» обозначает вторичную α-фазу, а «d» обозначает силицид.
[0012]
Читатель оценит вышеизложенные подробности, а также другие, после рассмотрения следующего подробного описания некоторых неограничивающих вариантов реализации по данному изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ некоторых неограничивающих вариантов реализации ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0013]
В данном описании неограничивающих вариантов реализации изобретения, кроме как в рабочих примерах или там, где указано иное, все числа, выражающие количества или количественные характеристики, следует понимать как во всех случаях модифицированные термином «примерно». Соответственно, если не указано иное, любые числовые параметры, изложенные в последующем описании, являются приблизительными значениями, которые могут варьироваться в зависимости от желаемых свойств, которые стремятся получить в материалах, и способов по данному изобретению. По меньшей мере и не в качестве попытки ограничить применение доктрины эквивалентов к объему формулы изобретения, каждый числовой параметр следует по меньшей мере рассматривать с учетом количества приведенных значащих цифр и с применением обычных методов округления. Все описанные здесь диапазоны включают описанные конечные точки, если не указано иное.
[0014]
Любой патент, публикация или другой раскрываемый материал, который указан включенным полностью или частично посредством ссылки, включается сюда только в той степени, в которой включенный материал не противоречит существующим определениям, утверждениям или другим раскрываемых материалов, изложенным далее в описании данного изобретения. По сути и в необходимой степени, изложенное здесь описание изобретения заменяет любой противоречащий материал, включенный сюда посредством ссылки. Любой материал или его часть, который указан включенным сюда посредством ссылки, но который противоречит существующим определениям, утверждениям или другому раскрываемому материалу, изложенному здесь, включен только в той степени, которая не вызывает противоречия между этим включенным материалом и существующим раскрываемым материалом.
[0015]
Изделия и детали в средах с высокой температурой могут пострадать от ползучести. Используемый здесь термин «высокая температура» относится к температурам свыше примерно 100°F (примерно 37,8°C). Ползучесть представляет собой зависящую от времени деформацию, возникающую под механическим напряжением. Ползучесть, происходящая при уменьшающейся скорости деформации, называется первичной ползучестью; ползучесть, происходящая при минимальной и почти постоянной скорости деформации, называется вторичной (установившейся) ползучестью; и ползучесть, происходящая при ускоряющейся скорости деформации, называется третичной ползучестью. Предел ползучести - это такое напряжение, которое будет вызывать некую данную деформацию ползучести при испытании на ползучесть за некое данное время в заданной постоянной среде.
[0016]
Характер изменения стойкости к ползучести титана и титановых сплавов при высокой температуре и при длительной нагрузке зависит в первую очередь от микроструктурных особенностей. Титан имеет две аллотропные модификации: бета («β»)-фазу, которая имеет объемно-центрированную кубическую («ОЦК») кристаллическую структуру; и альфа («α»)-фазу, которая имеет гексагональную плотноупакованную («ГПУ») кристаллическую структуру. В общем, β-титановые сплавы имеют низкий предел ползучести при повышенной температуре. Низкий предел ползучести при повышенной температуре является результатом значительной концентрации β-фазы, которую эти сплавы проявляют при повышенных температурах, таких как, например, 500°C. Указанная β-фаза плохо сопротивляется ползучести из-за своей объемно-центрированной кубической структуры, что обеспечивает большое число механизмов деформации. В результате этих недостатков использование β-титановых сплавов было ограничено.
[0017]
Одной из групп титановых сплавов, широко используемых в различных областях применения, является титановый α/β сплав. В титановых α/β сплавах распределение и размер частиц первичной α-фазы могут напрямую влиять на сопротивление ползучести. Согласно различным опубликованным отчетам об исследованиях титановых α/β сплавов, содержащих кремний, выделение силицидов на границах зерен может дополнительно улучшить сопротивление ползучести, но в ущерб пластичности при растяжении при комнатной температуре. Снижение пластичности при растяжении при комнатной температуре, происходящее с добавкой кремния, ограничивает количество кремния, которое может быть добавлено, обычно до 0,2% (по массе).
[0018]
Данное изобретение частично направлено на сплавы, которые преодолевают определенные из ограничений обычных титановых сплавов. На фиг. 1 изображена диаграмма, иллюстрирующая неограничивающий вариант реализации способа обработки неограничивающего варианта реализации титанового сплава по данному изобретению. Вариант реализации титанового сплава по данному изобретению содержит, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава, от 5,5 до 6,5 алюминия, от 1,9 до 2,9 олова, от 1,8 до 3,0 циркония, от 4,5 до 5,5 молибдена, от 4,2 до 5,2 хрома, от 0,08 до 0,15 кислорода, от 0,03 до 0,20 кремния, от 0 до 0,30 железа, титан и примеси. Другой вариант реализации титанового сплава по данному изобретению содержит, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава, от 5,5 до 6,5 алюминия, от 2,2 до 2,6 олова, от 2,0 до 2,8 циркония, от 4,8 до 5,2 молибдена, от 4,5 до 4,9 хрома, от 0,08 до 0,13 кислорода, от 0,03 до 0,11 кремния, от 0 до 0,25 железа, титан и примеси. Еще один вариант реализации изобретения титанового сплава по данному изобретению содержит, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава, от 5,9 до 6,0 алюминия, от 2,3 до 2,5 олова, от 2,3 до 2,6 циркония, от 4,9 до 5,1 молибдена, от 4,5 до 4,8 хрома, от 0,08 до 0,13 кислорода, от 0,03 до 0,10 кремния, до 0,07 железа, титан и примеси. В неограничивающих вариантах реализации сплавов по данному изобретению дополнительные элементы и примеси в составе сплава могут содержать или состоять по существу из одного или более из азота, углерода, водорода, ниобия, вольфрама, ванадия, тантала, марганца, никеля, гафния, галлия, сурьмы, кобальта и меди. Определенные неограничивающие варианты реализации титановых сплавов по данному изобретению могут содержать, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава, от 0 до 0,05 азота, от 0 до 0,05 углерода, от 0 до 0,015 водорода и от 0 до 0,1 каждого из ниобия, вольфрама, гафния, никеля, галлия, сурьмы, ванадия, тантала, марганца, кобальта и меди.
[0019]
eq
eq
(мас. %)
(мас. %)
(мас. %)
(мас. %)
eq
eq
(мас. %)
(мас. %)
(мас. %)
(мас. %)
(мас. %)
(мас. %)
(мас. %)
(мас. %)
(мас. %)
(мас. %)
В определенных неограничивающих вариантах реализации предлагаемого титанового сплава титановый сплав содержит преднамеренную добавку кремния в сочетании с определенными другими легирующими добавками для достижения значения алюминиевого эквивалента от 6,9 до 9,5 и значения молибденового эквивалента от 7,4 до 12,8, что, как наблюдали авторы изобретения, улучшает прочность на растяжение при высоких температурах. Используемый здесь термин «значение алюминиевого эквивалента» или «алюминиевый эквивалент» (Al) может быть определен следующим образом (при этом все элементные концентрации даны в массовых процентах, как указано): Al = Al+ (1/6)×Zr+ (1/3)×Sn+ 10×O. Используемый здесь термин «значение молибденового эквивалента» или «молибденовый эквивалент» (Mo) может быть определен следующим образом (при этом все элементные концентрации даны в массовых процентах, как указано): Mo = Mo+ (1/5)×Ta+ (1/3,6)×Nb+ (1/2,5)×W+ (1/1,5)×V+ 1,25×Cr + 1,25×Ni + 1,7×Mn + 1,7×Co + 2,5×Fe.
[0020]
Хотя признано, что на механические свойства титановых сплавов, как правило, влияет размер испытываемого образца, в неограничивающих вариантах реализации по данному изобретению титановый сплав имеет значение алюминиевого эквивалента по меньшей мере 6,9 или в некоторых вариантах реализации в диапазоне от 8,0 до 9,5, значение молибденового эквивалента от 9,0 до 12,8 и демонстрирует предел прочности при растяжении по меньшей мере 160 ksi (тысяч фунтов/квадратный дюйм) и по меньшей мере 10%-ое относительное удлинение при 316°C. В других неограничивающих вариантах реализации по данному изобретению титановый сплав имеет значение алюминиевого эквивалента по меньшей мере 6,9 или в некоторых вариантах реализации в диапазоне от 8,0 до 9,5, значение молибденового эквивалента от 8,0 до 12,8 и демонстрирует предел текучести по меньшей мере 150 ksi и по меньшей мере 10%-ое относительное удлинение при 316°C. В еще других неограничивающих вариантах реализации титановый сплав по данному изобретению имеет значение алюминиевого эквивалента по меньшей мере 6,9 или в некоторых вариантах реализации в диапазоне от 6,9 до 9,5, значение молибденового эквивалента от 7,4 до 12,8 и демонстрирует время до 0,2% деформации ползучести не менее 20 часов при 427°C под нагрузкой 60 ksi. В еще других неограничивающих вариантах реализации титановый сплав по данному изобретению имеет значение алюминиевого эквивалента по меньшей мере 6,9 или в некоторых вариантах реализации в диапазоне от 8,0 до 9,5, значение молибденового эквивалента от 7,4 до 10,4 и демонстрирует время до 0,2% деформации ползучести не менее 86 часов при 427°C под нагрузкой 60 ksi.
[0021]
eq
eq
В таблице 1 перечислены элементные составы, Al и Mo неограничивающих вариантов реализации титанового сплава по данному изобретению («экспериментальный титановый сплав №1» и «экспериментальный титановый сплав №2»), вариант реализации сравнительного титанового сплава, который не включает преднамеренной добавки кремния, и варианты реализации некоторых традиционных титановых сплавов. Не имея намерения ограничиваться какой-либо теорией, полагают, что содержание кремния в экспериментальном титановом сплаве № 1 и экспериментальном титановом сплаве № 2, перечисленных в таблице 1, может способствовать выделению одной или более силицидных фаз.
Таблица 1
<b>Сплав</b>
<b>Al (мас.%)</b>
<b>V (мас.%)</b>
<b>Fe (мас.%)</b>
<b>Sn (мас.%)</b>
<b>Cr (мас.%)</b>
<b>Zr (мас.%)</b>
<b>Mo (мас.%)</b>
<b>Nb (мас.%)</b>
<b>Si (мас.%)</b>
<b>O (мас.%)</b>
<b>Al</b><sub><b>Eq</b></sub>
<b>Mo</b><sub><b>Eq</b></sub>
<b>Ti64 </b><b>(UNS R56400)</b>
6
4
0,4
-
-
-
-
-
<0,03
0,20
8,0
3,7
<b>Ti834</b>
5,8
-
0,05
4
-
3,5
0,5
0,7
0,3
0,15
9,2
0,8
<b>Ti6242Si</b><b>(UNS R54620)</b>
6
-
0,25
2
-
4
2
-
0,1
0,15
8,8
2,6
<b>Ti17</b><b>(UNS 58650)</b>
5
-
0,3
2
4
2
4
-
<0,03
0,13
7,3
9,8
<b>Ti38644</b><b>(UNS R58640)</b>
3
8
0,3
-
6
4
4
-
<0,03
0,12
4,9
17,6
<b>Сравнительный титановый сплав</b>
5,9
-
0,07
2,4
4,6
2,4
5
-
0,02
0,13
8,4
10,9
<b>Экспериментальный титановый сплав № 1 </b>
6
-
0,06
2,4
4,7
2,5
5
-
0,04
0,13
8,5
11,0
<b>Экспериментальный титановый сплав № 2</b>
5,6
-
0,06
2,7
3,8
2,6
3,8
0,05
0,13
8,3
8,7
[0022]
Получили многочисленные плазменно-дуговые плавки (ПДП) сравнительного титанового сплава и экспериментального титанового сплава № 1, перечисленных в таблице 1, с использованием плазменно-дуговых печей для изготовления электродов диаметром 9 дюймов, каждый из которых имел массу приблизительно 400-800 фунтов (181-363 кг). Электроды переплавили в печи вакуумно-дугового переплава (ВДП) с получением слитков диаметром 10 дюймов. Каждый слиток преобразовали в заготовку (биллет) диаметром 3 дюйма с использованием пресса горячей обработки давлением. После этапа β-ковки до диаметра 7 дюймов, этапа α+β ковки с предварительной деформацией до диаметра 5 дюймов и этапа окончательной β-ковки до диаметра 3 дюйма, концы каждой заготовки обрезали для удаления всасывающих и концевых трещин, и заготовки разрезали на несколько частей. Проводили отбор проб из верхней части каждой заготовки и нижней части самой нижней заготовки при диаметре 7 дюймов на предмет химического состава и β-перехода. На основании результатов химического анализа промежуточных заготовок, из заготовок вырезали образцы длиной 2 дюйма, которые были откованы в "блины" на прессе. Образцы блинов подвергали термообработке с использованием следующего профиля термообработки, соответствующего обработанному на твердый раствор и состаренному состоянию: обработка на твердый раствор титанового сплава при 800°C в течение 4 часов; закалка водой титанового сплава до температуры окружающей среды; старение титанового сплава при 635°C в течение 8 часов; и воздушное охлаждение титанового сплава.
[0023]
Используемый здесь процесс «обработки на твердый раствор и старения (STA, от англ. solution treating and aging)» относится к применяемому к титановым сплавам процессу термической обработки, который включает обработку на твердый раствор титанового сплава при температуре обработки на твердый раствор ниже температуры β-перехода титанового сплава. В неограничивающем варианте реализации температура обработки на твердый раствор находится в диапазоне температур от примерно 800°C до примерно 860°C. Сплав, обработанный на твердый раствор, затем подвергают старению путем нагревания сплава в течение некоторого периода времени до диапазона температур старения, который меньше, чем температура β-перехода, и меньше, чем температура обработки на твердый раствор титанового сплава. Используемые здесь термины, такие как «нагретый до» или «нагревание до» и т.д. применительно к температуре, температурному диапазону или минимальной температуре, означают, что сплав нагревают до тех пор, пока по меньшей мере требуемая часть сплава не будет иметь температуру, по меньшей мере равную указанной или минимальной температуре, или в пределах указанного температурного диапазона, на всем протяжении этой части. В неограничивающем варианте реализации время обработки на твердый раствор составляет от примерно 30 минут до примерно 4 часов. Признано, что в определенных неограничивающих вариантах реализации время обработки на твердый раствор может быть короче, чем 30 минут, или длиннее, чем 4 часа, и, как правило, зависит от размера и поперечного сечения титанового сплава. После завершения обработки на твердый раствор титановый сплав охлаждают до температуры окружающей среды со скоростью, зависящей от толщины поперечного сечения титанового сплава.
[0024]
Затем обработанный на твердый раствор титановый сплав подвергают старению при температуре старения, также называемой «температурой дисперсионного твердения», которая находится в двухфазной области α+β ниже температуры β-перехода титанового сплава. В неограничивающем варианте реализации температура старения находится в температурном диапазоне от примерно 620°C до примерно 650°C. В некоторых неограничивающих вариантах реализации время старения может находиться в диапазоне от примерно 30 минут до примерно 8 часов. Признано, что в определенных неограничивающих вариантах реализации время старения может быть короче, чем 30 минут, или длиннее, чем 8 часов и, как правило, зависит от размера и поперечного сечения титанового сплава в виде изделия. Общие методы, используемые при STA-обработке титановых сплавов, известны специалистам в данной области техники и, следовательно, далее не обсуждаются здесь.
[0025]
Образцы для испытаний на растяжение при комнатной и высокой температуре, испытаний на ползучесть, вязкость разрушения и анализа микроструктуры были вырезаны из подвергнутых STA-обработке образцов блинов. Окончательный химический анализ был выполнен на образце для определения вязкости разрушения после проведения испытаний, чтобы гарантировать точную корреляцию между химическим составом и механическими свойствами.
[0026]
Изучение конечной заготовки диаметром 3 дюйма выявило однородную пластинчатую альфа/бета микроструктуру. Ссылаясь на фиг. 2 (на которой показан экспериментальный титановый сплав № 1, приведенный в таблице 1) и фиг. 3 (на которой показан сравнительный титановый сплав, приведенный в таблице 1), металлография на образцах, извлеченных из кованных и подвергнутых STA термообработке образцов блинов, выявила мелкую сеть видманштеттовой структуры частиц α-фазы с некоторыми первичной α-фазой и зернограничной α-фазой. Следует отметить, что экспериментальный титановый сплав № 1 содержал выделения силицидов (см. фиг. 2, на которой силицидное выделение обозначено как «е»), в то время как приведенный в таблице 1 сравнительный титановый сплав – нет (см. фиг. 3).
[0027]
Ссылаясь на фиг. 4-5, механические свойства экспериментального титанового сплава № 1, приведенного в таблице 1 (обозначен «08BA» на фиг. 4-5), были измерены и сравнены со свойствами сравнительного титанового сплава, приведенного в таблице 1 (обозначен «07BA» на фиг. 4-5), и обычного сплава Ti17 (имеющего состав указанный в UNS-R58650, обозначен «B4E89» на фиг. 4-5). Испытания на растяжение проводили в соответствии со стандартом E8/E8M-09 Американского общества по испытаниям и материалам (ASTM) (“Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials”, ASTM International, 2009). Как показали экспериментальные результаты в таблице 2, экспериментальный титановый сплав № 1 продемонстрировал значительно более высокие предел прочности при растяжении, предел текучести и пластичность (выраженную как относительное удлинение, %) при 316°C относительно сравнительного титанового сплава и некоторых обычных титановых сплавов, которые не содержали преднамеренной добавки кремния (например, сплавы Ti64 и Ti17), и относительно некоторых обычных титановых сплавов, содержащих преднамеренные добавки кремния (например, сплавы Ti834 и Ti6242Si).
Таблица 2
Сплав
Температура (°C)
Предел прочности при растяжении, UTS (ksi)
Предел текучести при остаточной деформации 0,2%, YS (ksi)
Относительное удлинение, %
<b>Ti64</b>
316
114
90
Нет данных
<b>Ti834</b>
316
120
100
11
<b>Ti6242Si</b>
204
129
112
11
<b>Ti17</b>
204
149
129
11
<b>Ti17</b>
316
140-145
116-120
11-15
<b>Ti38644</b>
316
157
131
12
<b>Сравнительный титановый сплав</b>
204
154
134
6
316
142
118
16
<b>Экспериментальный титановый сплав № 1</b>
204
187
165
11
316
180
157
12
<b>Экспериментальный титановый сплав № 2</b>
204
165,4
146,9
14
316
159,4
136,8
15
[0028]
Результаты испытаний на растяжение при высокой температуре и результаты испытаний на ползучесть при 427°C для экспериментального титанового сплава № 1, приведенного в таблице 1 (с преднамеренной добавкой кремния), и экспериментального титанового сплава № 2, приведенного в таблице 1 (с преднамеренной добавкой кремния), сравнили с результатами сравнительного титанового сплава из таблицы 1 (без преднамеренной добавки кремния) и некоторыми из образцов обычных титановых сплавов, приведенных в таблице 1. Данные приведены в таблице 3. Экспериментальный титановый сплав № 1, например, показал приблизительно 25%-ое увеличение предела прочности при растяжении (UTS) и приблизительно 77%-ое увеличение долговечности при ползучести при 427°C относительно сравнительного титанового сплава.
Таблица 3
Сплав
Свойства при растяжении (427°C)
Время ползучести (ч) до 0,2% деформации при нагрузке 60 ksi (427°C)
UTS (ksi)
YS (ksi)
Относительное удлинение, %
Относительное сужение, %
<b>Ti64</b>
-
-
-
-
11
<b>Ti6242Si</b>
-
-
-
-
150+
<b>Ti17</b>
-
-
-
-
16-30
<b>Сравнительный титановый сплав</b>
134,0
111,3
20,4
62,5
13,3
<b>Экспериментальный титановый сплав № 1</b>
170,6
149,3
14,5
28,2
23,5
<b>Экспериментальный титановый сплав № 2</b>
151,1
129,3
15,6
-
90,4
[0029]
Ниже описаны некоторые альтернативные варианты реализации титанового сплава. В соответствии с неограничивающим аспектом данного изобретения титановый сплав содержит, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава, от 5,1 до 6,1 алюминия, от 2,2 до 3,2 олова, от 1,8 до 3,1 циркония, от 3,3 до 4,3 молибдена, от 3,3 до 4,3 хрома, от 0,08 до 0,15 кислорода, от 0,03 до 0,20 кремния, от 0 до 0,30 железа, титан и примеси. Еще один вариант реализации титанового сплава по данному изобретению содержит, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава, от 5,1 до 6,1 алюминия, от 2,2 до 3,2 олова, от 2,1 до 3,1 циркония, от 3,3 до 4,3 молибдена, от 3,3 до 4,3 хрома, от 0,08 до 0,15 кислорода, от 0,03 до 0,11 кремния, от 0 до 0,30 железа, титан и примеси. Другой вариант реализации титанового сплава по данному изобретению содержит, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава, от 5,6 до 5,8 алюминия, от 2,5 до 2,7 олова, от 2,6 до 2,7 циркония, от 3,8 до 4,0 молибдена, от 3,7 до 3,8 хрома, от 0,08 до 0,14 кислорода, от 0,03 до 0,05 кремния, до 0,06 железа, титан и примеси. В неограничивающих вариантах реализации сплавов по данному изобретению дополнительные элементы и примеси в составе сплава могут содержать или состоять по существу из одного или более из азота, углерода, водорода, ниобия, вольфрама, ванадия, тантала, марганца, никеля, гафния, галлия, сурьмы, кобальта и меди. В определенных вариантах реализации титановых сплавов по данному изобретению в титановых сплавах, раскрытых здесь, может присутствовать от 0 до 0,05 азота, от 0 до 0,05 углерода, от 0 до 0,015 водорода и от 0 до 0,1 каждого из ниобия, вольфрама, гафния, никеля, галлия, сурьмы, ванадия, тантала, марганца, кобальта и меди.
[0030]
Подобно титановому сплаву, показанному на фиг. 1-3 и описанному в связи с этими фигурами, альтернативный титановый сплав содержит преднамеренную добавку кремния. Однако альтернативные варианты реализации титанового сплава включают пониженное содержание хрома по сравнению с экспериментальным титановым сплавом, проиллюстрированным и описанным в связи с фиг. 1-3. В таблице 1 приведен состав неограничивающего варианта реализации альтернативного титанового сплава («Экспериментальный титановый сплав № 2»), имеющего пониженное содержание хрома и преднамеренную добавку кремния.
[0031]
В определенных неограничивающих вариантах реализации титанового сплава по данному изобретению титановый сплав содержит преднамеренную добавку кремния в сочетании с некоторыми другими легирующими добавками для достижения значения алюминиевого эквивалента по меньшей мере 6,9 и значения молибденового эквивалента от 7,4 до 12,8, что, как наблюдалось, улучшало прочность на растяжение при высоких температурах. В неограничивающих вариантах реализации по данному изобретению титановый сплав имеет значение алюминиевого эквивалента по меньшей мере 6,9 или в некоторых вариантах реализации в диапазоне от 6,9 до 9,5, значение молибденового эквивалента от 7,4 до 12,8 и демонстрирует предел прочности при растяжении по меньшей мере 150 ksi при 316°C. В других неограничивающих вариантах реализации по данному изобретению титановый сплав имеет значение алюминиевого эквивалента по меньшей мере 6,9 или в некоторых вариантах реализации в диапазоне от 8,0 до 9,5, значение молибденового эквивалента от 7,4 до 12,8 и демонстрирует предел текучести по меньшей мере 130 ksi при 316°C. В еще других неограничивающих вариантах реализации титановый сплав по данному изобретению имеет значение алюминиевого эквивалента по меньшей мере 6,9 или в некоторых вариантах реализации в диапазоне от 8,0 до 9,5, значение молибденового эквивалента от 7,4 до 12,8 и демонстрирует время до 0,2% деформации ползучести не менее 86 часов при 427°С под нагрузкой 60 ksi.
[0032]
Результаты испытаний на растяжение при высокой температуре и результаты испытаний на ползучесть экспериментального титанового сплава № 2 из таблицы 1 при 800°F (427°C) приведены в таблице 3. Перед испытанием сплавы подвергали термообработкам, рассмотренным в вариантах реализации, описанных выше в связи с фиг. 1-3: обработка на твердый раствор титанового сплава при 800°C в течение 4 часов; закалка водой титанового сплава до температуры окружающей среды; старение титанового сплава при 635°C в течение 8 часов; и воздушное охлаждение титанового сплава. Ссылаясь на фиг. 6, металлография на подвергнутом STA термообработке экспериментальном сплаве № 2 выявила выделения силицидов (одно выделение обозначено как «d»). Не имея намерения ограничиваться какой-либо теорией, полагают, что содержание кремния в экспериментальном титановом сплаве № 2, приведенном в таблице 1, может способствовать выделению этой силицидной фазы.
[0033]
Определенные варианты реализации сплавов, полученных по данному изобретению, и изделий, изготовленных из этих сплавов, могут преимущественно применяться в авиационных деталях и компонентах, таких как, например, диски турбин реактивных двигателей и лопатки турбовентиляторов. Специалисты в данной области техники смогут изготовить вышеуказанное оборудование, детали и другие изделия из сплавов по данному изобретению без необходимости предоставления дополнительного описания в данном документе. Вышеприведенные примеры возможных применений сплавов по данному изобретению предлагаются только в качестве примера и не являются исчерпывающими для всех применений, в которых могут быть применены формы изделий из данного сплава. Специалисты в данной области техники после прочтения описания данного изобретения могут легко идентифицировать дополнительные применения для описанных здесь сплавов.
[0034]
Различные неисчерпывающие, неограничивающие аспекты новых сплавов по данному изобретению могут быть полезны по отдельности или в сочетании с одним или более другими описанными здесь аспектами. Не ограничиваясь вышеприведенным описанием, в первом неограничивающем аспекте данного изобретения, титановый сплав содержит, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава: от 5,5 до 6,5 алюминия; от 1,9 до 2,9 олова; от 1,8 до 3,0 циркония; от 4,5 до 5,5 молибдена; от 4,2 до 5,2 хрома; от 0,08 до 0,15 кислорода; от 0,03 до 0,20 кремния; от 0 до 0,30 железа; титан; и примеси.
[0035]
В соответствии со вторым неограничивающим аспектом данного изобретения, который может быть использован в комбинации с первым аспектом, титановый сплав содержит, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава: от 5,5 до 6,5 алюминия; от 2,2 до 2,6 олова; от 2,0 до 2,8 циркония; от 4,8 до 5,2 молибдена; от 4,5 до 4,9 хрома; от 0,08 до 0,13 кислорода; от 0,03 до 0,11 кремния; от 0 до 0,25 железа; титан; и примеси.
[0036]
В соответствии с третьим неограничивающим аспектом данного изобретения, который может быть использован в комбинации с каждым или любым из вышеизложенных аспектов, титановый сплав содержит, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава: от 5,9 до 6,0 алюминия; от 2,3 до 2,5 олова; от 2,3 до 2,6 циркония; от 4,9 до 5,1 молибдена; от 4,5 до 4,8 хрома; от 0,08 до 0,13 кислорода; от 0,03 до 0,10 кремния; до 0,07 железа; титан; и примеси.
[0037]
В соответствии с четвертым неограничивающим аспектом данного изобретения, который может быть использован в комбинации с каждым или любым из вышеизложенных аспектов, титановый сплав дополнительно содержит, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава: от 0 до 0,05 азота, от 0 до 0,05 углерода, от 0 до 0,015 водорода и от 0 до 0,1 каждого из ниобия, вольфрама, гафния, никеля, галлия, сурьмы, ванадия, тантала, марганца, кобальта и меди.
[0038]
В соответствии с пятым неограничивающим аспектом данного изобретения, который может быть использован в комбинации с каждым или любым из вышеизложенных аспектов, титановый сплав имеет значение алюминиевого эквивалента по меньшей мере 6,9 и значение молибденового эквивалента от 7,4 до 12,8, а также демонстрирует предел прочности при растяжении по меньшей мере 160 ksi при 316°C.
[0039]
В соответствии с шестым неограничивающим аспектом данного изобретения, который может быть использован в комбинации с каждым или любым из вышеизложенных аспектов, титановый сплав имеет значение алюминиевого эквивалента по меньшей мере 6,9 и значение молибденового эквивалента от 7,4 до 12,8, а также демонстрирует предел текучести по меньшей мере 140 ksi при 316°C.
[0040]
В соответствии с седьмым неограничивающим аспектом данного изобретения, который может быть использован в комбинации с каждым или любым из вышеизложенных аспектов, титановый сплав имеет значение алюминиевого эквивалента по меньшей мере 6,9 и значение молибденового эквивалента от 7,4 до 12,8, а также демонстрирует время до 0,2% деформации ползучести по меньшей мере 20 часов при 427°C под нагрузкой 60 ksi.
[0041]
В соответствии с восьмым неограничивающим аспектом данного изобретения, который может быть использован в комбинации с каждым или любым из вышеизложенных аспектов, титановый сплав имеет значение алюминиевого эквивалента от 8,0 до 9,5 и значение молибденового эквивалента от 7,4 до 12,8, а также демонстрирует предел прочности при растяжении по меньшей мере 160 ksi при 316°C.
[0042]
В соответствии с девятым неограничивающим аспектом данного изобретения, который может быть использован в комбинации с каждым или любым из вышеизложенных аспектов, титановый сплав имеет значение алюминиевого эквивалента от 8,0 до 9,5 и значение молибденового эквивалента от 7,4 до 12,8, а также демонстрирует предел текучести по меньшей мере 140 ksi при 316°C.
[0043]
В соответствии с десятым неограничивающим аспектом данного изобретения, который может быть использован в комбинации с каждым или любым из вышеизложенных аспектов, титановый сплав имеет значение алюминиевого эквивалента от 8,0 до 9,5 и значение молибденового эквивалента от 7,4 до 12,8, а также демонстрирует время до 0,2% деформации ползучести по меньшей мере 20 часов при 427°C под нагрузкой 60 ksi.
[0044]
В соответствии с одиннадцатым неограничивающим аспектом данного изобретения, который может быть использован в комбинации с каждым или любым из вышеизложенных аспектов, титановый сплав получают способом, включающим: обработку на твердый раствор титанового сплава при температуре от 800°C до 860°C в течение 4 часов; охлаждение титанового сплава до температуры окружающей среды со скоростью, зависящей от толщины поперечного сечения титанового сплава; старение титанового сплава при температуре от 620°C до 650°C в течение 8 часов; и воздушное охлаждение титанового сплава.
[0045]
В соответствии с двенадцатым неограничивающим аспектом данного изобретения, данное изобретение также предлагает титановый сплав, содержащий, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава: от 5,1 до 6,1 алюминия; от 2,2 до 3,2 олова; от 1,8 до 3,1 циркония; от 3,3 до 4,3 молибдена; от 3,3 до 4,3 хрома; от 0,08 до 0,15 кислорода; от 0,03 до 0,20 кремния; от 0 до 0,30 железа; титан; и примеси.
[0046]
В соответствии с тринадцатым неограничивающим аспектом данного изобретения, который может быть использован в комбинации с каждым или любым из вышеизложенных аспектов, титановый сплав содержит, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава: от 5,1 до 6,1 алюминия; от 2,2 до 3,2 олова; от 2,1 до 3,1 циркония; от 3,3 до 4,3 молибдена; от 3,3 до 4,3 хрома; от 0,08 до 0,15 кислорода; от 0,03 до 0,11 кремния; от 0 до 0,30 железа; титан; и примеси.
[0047]
В соответствии с четырнадцатым неограничивающим аспектом данного изобретения, который может быть использован в комбинации с каждым или любым из вышеизложенных аспектов, титановый сплав содержит, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава: от 5,6 до 5,8 алюминия; от 2,5 до 2,7 олова; от 2,6 до 2,7 циркония; от 3,8 до 4,0 молибдена; от 3,7 до 3,8 хрома; от 0,08 до 0,14 кислорода; от 0,03 до 0,05 кремния; до 0,06 железа; титан; и примеси.
[0048]
В соответствии с пятнадцатым неограничивающим аспектом данного изобретения, который может быть использован в комбинации с каждым или любым из вышеизложенных аспектов, титановый сплав дополнительно содержит, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава: от 0 до 0,05 азота; от 0 до 0,05 углерода; от 0 до 0,015 водорода и от 0 до 0,1 каждого из ниобия, вольфрама, гафния, никеля, галлия, сурьмы, ванадия, тантала, марганца, кобальта и меди.
[0049]
В соответствии с шестнадцатым неограничивающим аспектом данного изобретения, который может быть использован в комбинации с каждым или любым из вышеизложенных аспектов, титановый сплав имеет значение алюминиевого эквивалента по меньшей мере 6,9 и значение молибденового эквивалента от 7,4 до 12,8, а также демонстрирует предел прочности при растяжении по меньшей мере 150 ksi при 316°C.
[0050]
В соответствии с семнадцатым неограничивающим аспектом данного изобретения, который может быть использован в комбинации с каждым или любым из вышеизложенных аспектов, титановый сплав имеет значение алюминиевого эквивалента по меньшей мере 6,9 и значение молибденового эквивалента от 7,4 до 12,8, а также демонстрирует предел текучести по меньшей мере 130 ksi при 316°C.
[0051]
В соответствии с восемнадцатым неограничивающим аспектом данного изобретения, который может быть использован в комбинации с каждым или любым из вышеизложенных аспектов, титановый сплав имеет значение алюминиевого эквивалента по меньшей мере 6,9 и значение молибденового эквивалента от 7,4 до 12,8, а также демонстрирует время до 0,2% деформации ползучести не менее чем 86 часов при 427°C под нагрузкой 60 ksi.
[0052]
В соответствии с девятнадцатым неограничивающим аспектом данного изобретения, который может быть использован в комбинации с каждым или любым из вышеизложенных аспектов, титановый сплав имеет значение алюминиевого эквивалента от 6,9 до 9,5 и значение молибденового эквивалента от 7,4 до 12,8, а также демонстрирует предел прочности при растяжении по меньшей мере 150 ksi при 316°C.
[0053]
В соответствии с двадцатым неограничивающим аспектом данного изобретения, который может быть использован в комбинации с каждым или любым из вышеизложенных аспектов, титановый сплав имеет значение алюминиевого эквивалента от 8,0 до 9,5 и значение молибденового эквивалента от 7,4 до 12,8, а также демонстрирует предел текучести по меньшей мере 130 ksi при 316°C.
[0054]
В соответствии с двадцать первым неограничивающим аспектом данного изобретения, который может быть использован в комбинации с каждым или любым из вышеизложенных аспектов, титановый сплав имеет значение алюминиевого эквивалента от 8,0 до 9,5 и значение молибденового эквивалента от 7,4 до 12,8, а также демонстрирует время до 0,2% деформации ползучести не менее чем 86 часов при 427°C под нагрузкой 60 ksi.
[0055]
В соответствии с двадцать вторым неограничивающим аспектом данного изобретения, который может быть использован в комбинации с каждым или любым из вышеизложенных аспектов, титановый сплав изготавливают способом, включающим: обработку на твердый раствор титанового сплава при температуре от 800°C до 860°C в течение 4 часов; закалку водой титанового сплава до температуры окружающей среды; старение титанового сплава при температуре от 620°C до 650°C в течение 8 часов; и воздушное охлаждение титанового сплава.
[0056]
В соответствии с двадцать третьим неограничивающим аспектом данного изобретения, данное изобретение также предлагает способ изготовления сплава, включающий: обработку на твердый раствор титанового сплава при температуре от 800°C до 860°C в течение 4 часов, при этом титановый сплав содержит от 5,5 до 6,5 алюминия, от 1,9 до 2,9 олова, от 1,8 до 3,0 циркония, от 4,5 до 5,5 молибдена, от 4,2 до 5,2 хрома, от 0,08 до 0,15 кислорода, от 0,03 до 0,20 кремния, от 0 до 0,30 железа, титан и примеси; охлаждение титанового сплава до температуры окружающей среды со скоростью, зависящей от толщины поперечного сечения титанового сплава; старение титанового сплава при температуре от 620°C до 650°C в течение 8 часов; и воздушное охлаждение титанового сплава.
[0057]
В соответствии с двадцать четвертым неограничивающим аспектом данного изобретения, который может быть использован в комбинации с каждым или любым из вышеизложенных аспектов, титановый сплав дополнительно содержит, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава, от 0 до 0,05 азота, от 0 до 0,05 углерода, от 0 до 0,015 водорода и от 0 до 0,1 каждого из ниобия, вольфрама, гафния, никеля, галлия, сурьмы, ванадия, тантала, марганца, кобальта и меди.
[0058]
В соответствии с двадцать пятым неограничивающим аспектом данного изобретения, данное изобретение также предлагает способ изготовления сплава, включающий: обработку на твердый раствор титанового сплава при температуре от 800°C до 860°C в течение 4 часов, при этом титановый сплав содержит от 5,1 до 6,1 алюминия, от 2,2 до 3,2 олова, от 1,8 до 3,1 циркония, от 3,3 до 4,3 молибдена, от 3,3 до 4,3 хрома, от 0,08 до 0,15 кислорода, от 0,03 до 0,20 кремния, от 0 до 0,30 железа, титан и примеси; охлаждение титанового сплава до температуры окружающей среды со скоростью, зависящей от толщины поперечного сечения титанового сплава; старение титанового сплава при температуре от 620°C до 650°C в течение 8 часов; и воздушное охлаждение титанового сплава.
[0059]
В соответствии с двадцать шестым неограничивающим аспектом данного изобретения, который может быть использован в комбинации с каждым или любым из вышеизложенных аспектов, титановый сплав дополнительно содержит, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава, от 0 до 0,05 азота, от 0 до 0,05 углерода, от 0 до 0,015 водорода и от 0 до 0,1 каждого из ниобия, вольфрама, гафния, никеля, галлия, сурьмы, ванадия, тантала, марганца, кобальта и меди.
[0060]
Следует понимать, что данное описание иллюстрирует те аспекты изобретения, которые имеют отношение к четкому пониманию изобретения. Определенные аспекты, которые будут очевидны специалисту в данной области техники и которые, следовательно, не будут способствовать лучшему пониманию изобретения, не были представлены для упрощения данного описания. Хотя здесь в обязательном порядке описано только ограниченное число вариантов реализации данного изобретения, специалист в данной области техники при рассмотрении предшествующего описания поймет, что могут быть использованы многие модификации и вариации изобретения. Предполагается, что все такие вариации и модификации изобретения охватываются предшествующим описанием и нижеследующей формулой изобретения.