СПЛАВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО
TITANIUM-BASED ALLOY AND ITEM MADE FROM IT

Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к производству титановых сплавов, и может быть использовано для высоконагруженных деталей и узлов, работающих при температурах до 550°C длительно и при 600°C кратковременно, например, для корпусов и деталей компрессора, таких как проставки и лопатки газотурбинных двигателей (ГТД), а также других деталей авиакосмической техники и машиностроения.
Известен сплав на основе титана, имеющий следующий химический состав, мас.%:
Al
5,35-6,1
Mo
0,15-0,75
Zr
3,25-5,0
Si
0,2-0,6
Sn
3,5-4,5
Nb
0,5-1,5
C
0,03-0,1
Ti
остальное
(Патент США №4770726).
Из известного сплава на основе титана изготавливают диски и лопатки компрессора высокого давления ГТД.
Недостатком сплава и изделий, выполненных из него, 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 (δ≥6%; ψ≥15%) и высокой чувствительностью к концентраторам напряжений, а также узким температурным интервалом интенсивной горячей деформации, который составляет величину около 50°C.
Изделия, выполненные из этого сплава, требуют высокого качества поверхности после механической обработки, обладают высокой стоимостью и поэтому имеют ограниченное применение.
Известен сплав на основе титана, имеющий следующий химический состав, мас.%:
Al
5,5-6,5
Mo
0,3-0,5
Zr
3,5-4,5
Fe
≤0,03
Si
0,35-0,55
Sn
2,0-4,0
O
≤0,14
Ti
остальное
(Патент ЕР №0269196).
Из известного сплава изготавливают диски компрессора высокого давления газотурбинных двигателей.
Недостатками известного сплава является низкий уровень прочностных характеристик при температурах до 550°C, повышенная чувствительность сплава к примеси железа, что ограничивает применение сплава. Сплав и изделия, выполненные из него, обладают низкими усталостными характеристиками из-за крупнозернистой структуры.
Известен сплав на основе титана, имеющий следующий химический состав, мас.%:
Al
5,5-6,5
Mo
0,7-3,0
Zr
0,7-5,0
Si
0,04-0,13
Sn
1,7-2,3
Ti
остальное (Патент США №3833363).
Из известного сплава изготавливают корпуса, диски и лопатки компрессора высокого давления газотурбинных двигателей, а также лопатки и другие детали турбин энергетических установок, длительно работающих при температурах до 500°C.
Недостатками известного сплава является низкий уровень прочностных и усталостных характеристик в интервале температур от 20°C до 500°C.
Изделия, выполненные из этого сплава, имеют низкий рабочий ресурс.
Известен сплав на основе титана, имеющий следующий химический состав, мас.%:
Al
6,2-7,0
Mo
0,4-1,0
Zr
3,5-4,5
Si
0,1-0,22
Sn
2,2-3,5
Nb
0,5-1,5
O
0,05-0,12
C
0,02-0,1
Ti
остальное
(Патент РФ №2039112).
Из известного сплава изготавливают диски и лопатки компрессора высокого давления газотурбинных двигателей с рабочей температурой до 600°C.
Недостатками сплава являются низкие прочностные характеристики, пониженная термическая стабильность (δ≥3,5% после эксплуатации в течение 100 часов при 600°C), узкий температурный интервал интенсивной деформации в двухфазной области (около 80°C) из-за высокого суммарного содержания алюминия, олова и циркония, что делает невозможным изготовление тонких листов и корпусных деталей.
Известен сплав на основе титана, имеющий следующий химический состав, мас.%:
Al
5,8-6,6
Mo
0,8-1,5
Zr
2,0-4,0
Fe
0,06-0,13
Si
0,25-0,45
Sn
2,5-4,5
Nb
0,8-2,5
O
0,05-0,12
C
0,05-0,1
W
0,35-0,8
Ti
остальное
и изделие, выполненное из него (Патент РФ №2039112).
Из известного сплава изготавливают диски и лопатки компрессора высокого давления газотурбинных двигателей.
Недостатком сплава является относительно низкий уровень прочности при температурах 20-550°C и узкий температурный интервал интенсивной деформации в двухфазной области (около 100°C) из-за повышенного суммарного содержания элементов, стабилизирующих альфа-фазу и нейтральных упрочнителей (алюминии, цирконий, олово), что ограничивает применение сплава.
Наиболее близким аналогом по назначению и совокупности существенных признаков, взятым за прототип, является сплав на основе титана, имеющий следующий химический состав, мас.%:
Al
5,5-7,0
Mo
0,5-2,0
Zr
1,5-2,5
V
0,8-2,5
Fe
0,03-0,3
W
0,001-0,10
Cu
0,001-0,08
Ni
0,001-0,02
Mn
0,001-0,10
H
0,003-0,3
Cr
0,001-0,10
Ti
остальное
и изделие, выполненное из него (Патент РФ №2308497).
Из сплава-прототипа изготавливают корпуса (в т.ч. выполненные из листов), кольца, проставки и направляющие лопатки компрессора ГТД длительно работающие при температурах до 450°C и кратковременно до 500°C.
Недостатком сплава является низкий уровень прочностных характеристик в интервале рабочих температур, резкое снижение прочностных характеристик при температурах более 500°C, что ограничивает применение сплава. Сплав применяется в отожженном состоянии, при этом термической обработкой не упрочняется. Полуфабрикаты из сплава обладают анизотропией структуры и механических свойств из-за низкой температуры отжига.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание сплава на основе титана, обладающего повышенными прочностными характеристиками при температурах до 600°C при повышенном уровне технологичности при горячей деформации.
Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен сплав на основе титана, содержащий алюминий, молибден, цирконий, ванадий, железо, отличающийся тем, что дополнительно содержит олово, ниобий, кремний, кислород, углерод при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Al
5,0-6,6
Mo
1,5-2,5
Zr
1,0-2,8
V
0,4-1,4
Fe
0,08-0,40
Si
0,08-0,28
Sn
1,5-3,8
Nb
0,4-1,2
O
0,02-0,18
C
0,008-0,080
Ti
остальное
и изделие, выполненное из него.
Предлагаемый сплав можно использовать для изготовления корпусов и роторных деталей компрессора высокого давления газотурбинных двигателей, а также деталей энергетических установок, включая лопатки турбин.
Дополнительное введение ниобия, олова и кремния позволяют повысить прочностные характеристики сплава в интервале рабочих температур при заявленном содержании других компонентов.
Увеличение минимального суммарного содержания элементов бета- стабилизаторов (молибден, ванадий, железо), дополнительное введение ниобия в предлагаемом сплаве позволяет улучшить технологичность, в том числе при горячей деформации, сплава за счет увеличения количества стабильной бета-фазы. При этом сплав дополнительно содержит элементы внедрения (альфа-стабилизаторы) - кислород и углерод, которые повышают температуру полиморфного превращения и компенсируют снижение уровня содержания алюминия для увеличения степени твердорастворного упрочнения и расширения температурного интервала деформации в двухфазной области. Указанные выше особенности химического состава сплава обеспечивают расширение интервала температур интенсивной горячей деформации на 60°C. В предлагаемом сплаве температура деформации находится в пределах от 1000°C до 840°C, что составляет 160°C. Для сплава прототипа этот интервал соответствует температурам 980°C-880°C, что составляет 100°C. Наличие в предлагаемом сплаве кремния позволяет сочетать как твердорастворный, так и дисперсионный механизмы упрочнения, а также обеспечивает возможность дополнительного увеличения прочностных характеристик сплава и изделий, выполненных из него путем варьирования режимов обработки.
Увеличение технологического температурного интервала способствует увеличению степени рекристаллизации альфа-фазы при термической обработке, что позволяет повышать степень однородности структуры и механических свойств в изделии, обуславливает снижение себестоимости изготовления деформированных полуфабрикатов и деталей из них, в том числе способом листовой штамповки, обладающих повышенным уровнем прочностных характеристик при температурах до 600°C.
Примеры осуществления
Предлагаемый сплав в виде слитков выплавляли методом двойного вакуумно-дугового переплава. Затем слитки подвергали многопереходной ковке. Полученное изделие (деформированный полуфабрикат - точная штамповка толщиной сечения 25 мм, лист толщиной 1,2 мм) термически обработали по режиму отжига и упрочняющей термической обработки (закалка в воду или масло с последующим старением и охлаждением на воздухе).
Составы предлагаемого сплава (№1-3) и сплава-прототипа №4 приведены в табл. 1. Механические свойства предлагаемого сплава и сплава-прототипа приведены в табл. 2 (штамповки), в табл. 3 (листы). Как видно из табл. 2 и 3 предлагаемый сплав имеет повышенную на 50-100°C рабочую температуру, уровень прочности на 10,5-15,5% в отожженном состоянии с сохранением высоких показателей пластичности (относительного удлинения, сужения). Сплав позволяет дополнительно увеличить уровень прочностных характеристик в интервале рабочих температур не менее чем на 20% по сравнению со сплавом-прототипом.
Использование предлагаемого сплава на основе титана и изделий из него, в том числе деталей компрессора авиационных ГТД - корпусов, колец, проставок, лопаток и др., а также деталей турбин энергетического машиностроения, например лопаток турбины, повысит рабочую температуру до 600°C, снизит себестоимость изделий за счет повышения уровня технологичности при горячей деформации, повысит ресурс работы.
Таблица 1
№ п/п
Al
Mo
Zr
V
Fe
Si
Sn
Nb
O
C
Cu
Ni
Mn
H
Cr
W
Ti
1
5,0
1,5
1,0
0,4
0,08
0,08
1,5
0,4
0,02
0,008
-
-
-
-
-
-
ост.
2
5,8
2,0
1,9
1,0
0,24
0,18
2,7
0,8
0,12
0,035
-
-
-
-
-
-
“-“
3
6,6
2,5
2,8
1,4
0,40
0,28
3,8
1,2
0,18
0,080
-
-
-
-
-
-
“-“
Прототип
6,7
1,5
2,2
1,8
0,2
-
-
-
-
-
0,05
0,01
0,05
0,15
0,05
0,05
“-“
Таблица 2
№ п/п
Вид термической обработки
Предел прочности при 20°C, МПа
Относительное удлинение при 20°C, %
Относительное сужение при 20°C, %
Предел прочности при 500°C, МПа
Предел прочности при 550°C, МПа
Предел прочности при 600°C, МПа
1
отжиг
1055
25,5
41,0
700
665
580
закалка и старение
1145
14,5
22,5
785
755
650
2
отжиг
1125
16,5
29,5
725
690
635
закалка и старение
1215
7,4
15,5
810
765
660
3
отжиг
1210
8,8
18,5
785
760
675
закалка и старение
1360
6,7
15,5
850
790
705
4
Прототип, отжиг
955
14,5
31,5
635
590
515
Таблица №3
№ п/п
Вид термической обработки
Предел прочности при 20°C, МПа
Относительное удлинение при 20°C, %
Предел прочности при 500°C, МПа
Предел прочности при 550°C, МПа
Предел прочности при 600°C, МПа
1
отжиг
1105
16,5
725
645
545
закалка и старение
1195
12,5
790
760
600
2
отжиг
1125
14,5
755
695
575
закалка и старение
1205
10,5
830
785
615
3
отжиг
1275
12,0
795
780
590
закалка и старение
1330
6,5
865
825
630
4
Прототип, отжиг
995
11,5
645
595
470