ЖАРОПРОЧНЫЙ И ЖАРОСТОЙКИЙ ТИТАНОВЫЙ СПЛАВ
HEATPROOF TITANIUM ALLOY

Изобретение относится к области металлургии титановых сплавов и может быть использовано для изготовления деталей узлов ракетных двигателей, работающих в условиях высоких нагрузок при температурах до 800°С, в том числе длительное время.
При использовании сплавов в указанных конструкциях следует учитывать следующие обязательные требования:
- сплавы должны обладать достаточно стабильным фазовым составом, исключающим возможность охрупчивания в процессе длительного нагружения и обеспечивать высокую прочность и сопротивление ползучести при рабочих температурах;
- сплавы должны обладать высокой жаростойкостью, обеспечивающей исключение проникающего окисления в процессе долговременной эксплуатации, при рабочих температурах.
Из уровня техники известен деформированный жаропрочный сертифицированный титановый сплав ВТ18У (Ильин А.А., Колачев Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства. Справочник. - М.: ВИЛС-МАТИ, 2009 г., с.66, 74 [1]), применяемый в авиационной промышленности для лопаток, дисков компрессоров двигателей, имеющий следующий химический состав, мас.%:
Алюминий
6,2-7,3;
Молибден
0,4-1,0;
Цирконий
3,5-4,5;
Ниобий
0,5-1,0;
Кремний
0,05-0,2;
Олово
2,0-3,0;
Титан
остальное
Однако сплав на основе α-фазы (псевдо α-сплав) работоспособен до температуры 600°С и кратковременно до 650°С. Существенным недостатком сплава является его термическая нестабильность в процессе длительной эксплуатации; довольно низкая технологичность при горячей деформации из-за достаточно высокого содержания алюминия в сочетании с оловом и низкая жаростойкость: сплав интенсивно окисляется при нагреве выше 600°С.
Известен титановый сплав (патент RU 2405849 C1, C22C 14/00, 10.12.2010 [2]), имеющий следующий химический состав, масс.%:
Алюминий
10,5-12,5;
Ниобий
38,0-42,0;
Молибден
0,3-0,6;
Цирконий
1,5-2,5;
Кремний
0,1-0,25;
Вольфрам
0,5-1,0;
Тантал
0,7-1,5;
Углерод
0,03-0,08;
Титан
остальное
2
3
Исходя из наличия в сплаве большого количества алюминия, его следует отнести к двухфазным α+α (TiAl)-сплавам с небольшим содержанием дополнительно β-фазы (из-за высокого содержания β-стабилизаторов Nb, Mo, Та, W). Это обстоятельство позволяет утверждать, что сплав не может быть термически стабильным по фазовому составу в процессе окисления при высоких температурах и будет охрупчиваться. Другим недостатком сплава является низкая технологическая пластичность при горячей деформации, что обуславливает возможность использования сплава только в литом состоянии или возможно в виде гранул с последующим газостатированием, что экономически представляется невыгодным. И, наконец, сплав является недостаточно жаростойким: интенсивно окисляется при температурах выше 700°С.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является жаропрочный титановый сплав (патент RU 2396366 C1, C22C 14/00, 10.08.2010, [3]) характеризующийся следующим химическим составом, мас.%:
Алюминий
5,0-7,5;
Цирконий
3,0-5,0;
Вольфрам
5,0-7,5;
Гафний
0,005-0,2;
Титан
остальное
Сплав использовался в турбонасосных агрегатах жидкостных ракетных двигателей в виде роторов, работающих кратковременно при температурах 750-800°С. Недостатками указанного сплава являются невозможность его использования при температуре 800°С длительное время и значительное окисление при температуре выше 780°С.
Задачей предлагаемого изобретения является создание технологичного высокожаропрочного и жаростойкого титанового сплава, работающего при температурах до 800°С при длительном нагружении.
Технический результат - улучшение весовых характеристик сплава, обеспечение надежности работы титановых деталей - изделий при температурах до 800°С в течение длительного времени, обеспечение высокой прочности и сопротивления ползучести при отсутствии охрупчивания в процессе работы.
Поставленная задача достигается тем, что жаропрочный и жаростойкий титановый сплав, содержащий алюминий, цирконий, вольфрам, гафний, титан, дополнительно делегирован танталом при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Алюминий
6,0-7,5;
Цирконий
3,0-5,0;
Вольфрам
6,0-7,5;
Гафний
2,5-4,0;
Тантал
2,5-4,0;
Титан
остальное
Данное увеличение содержания гафния и введение тантала в сплав позволяет повысить жаропрочность сплава за счет того, что оба эти элемента значительно более тугоплавки, чем титан, и, следовательно, имеют более высокий уровень межатомных связей, что позволит снизить диффузионную подвижность атомов при высоких температурах. Одновременно указанные количества гафния и тантала должны заметно повысить сопротивление окислению титанового сплава при температурах эксплуатации. С той же целью повышены нижние пределы содержания в сплаве алюминия и вольфрама до 6,0% мас.
Следует также отметить, что гафний и тантал, являясь по отношению к титану нейтральным упрочнителем и β-изоморфным элементом соответственно должны стабилизировать фазовое постоянство сплава и повысить тем самым его технологическую пластичность как при комнатой, так и при повышенных температурах, что очень важно для титановых сплавов с высоким содержанием алюминия.
Цирконий представляет собой существенный компонент титанового сплава по настоящему изобретению, и в этом титановом сплаве содержится в количестве 3,0-5,0% по массе по той причине, что когда его содержание составляет менее чем 3,0% по массе, то нельзя получить удовлетворительный эффект подавления поглощения водорода, а когда его содержание составляет более чем 5,0% по массе, то может ухудшиться такая характеристика, как легковесность (низкая плотность).
По номенклатуре и содержанию легирующих элементов предлагаемый сплав следует отнести к псевдо α-сплавам титана мартенситного типа (небольшое количество (β-фазы).
Сплав может выплавляться по общепринятой для серийных титановых сплавов технологии с использованием лигатур и чистых легирующих элементов методом тройного переплава в вакуумно-дуговых печах, в том числе и гарнисажных.
Для экспериментальной проверки заявляемого состава методом тройного переплава в вакуумно-дуговой печи были выплавлены несколько композиций сплава в виде слитков, из которых свободной ковкой были изготовлены прутки ⌀16 мм, прошедшие затем отжиг при температуре 800°С в течение 1 часа с последующим охлаждением на воздухе.
Из прутков были изготовлены образцы для механических испытаний при комнатной и повышенной температурах, а также для оценки жаростойкости на дериватографе по максимальной температуре, до которой не наблюдалось окисления металла (по привесу).
В таблице 1 представлены результаты проведенных испытаний на растяжение, ударный изгиб, длительную прочность, ползучесть и жаростойкость разработанной композиции, с различным уровнем легирования, в том числе более низким и более высоким, чем в заявленном. Для сравнения приведены свойства сплава-прототипа.
Из таблицы 1 следует, что жаропрочный и жаростойкий сплав предлагаемого состава (3-5) заметно превосходит известный титановый сплав (прототип) по уровню прочностных и жаропрочных характеристик при комнатной и повышенной температурах. Максимальная температура нагрева без окисления 860-920°С. Одновременно сплав отличается достаточно высокой пластичностью и вязкостью, что гарантирует успешную его работоспособность в высоконагруженных конструкциях.
Кроме этого, основываясь на опыте использования в конструкциях титановых сплавов подобного фазового состава и уровня легирования, можно заключить, что заявляемый титановый сплав может свариваться, что ставит его в ряд технологичных титановых сплавов широкого применения.
Результаты проведенных испытаний сплавов.
Таблица 1
№ п/п
Композиция сплава
Температура испытаний
20°C
800°С
Максимальная температура нагрева без окисления, °С
σ<sub>0,2</sub>, МПа
σ<sup>в</sup>, МПа
δ, %
ψ, %
KCU, Дж/см<sup>2</sup>
σ<sub>в</sub>, МПа
σ<sub>2</sub>, МПа
σ<sub>2</sub>, E<1% МПа
σ<sub>100</sub>, МПа
σ<sub>100</sub>, E<1% МПа
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
1
Прототип
1078-1226
1128-1324
6-16
11-36
25-31
343-412
176-216
137-187
-
-
800-861
2
Ti, 5,5 Al, 2,5 Zr, 5,5 W, 2,4 Hf, 2,3 Ta
1105
1178
17
32
36
371
194
159
-
-
845
3
Ti, 6,2 Al, 3,5 Zr, 6,1 W, 2,9 Hf, 2,8 Ta
1159
1260
16
32
32
399
234
184
198
157
861
4
Ti, 6,5 Al, 4,2 Zr, 6,7 W, 3,5 Hf, 3,3 Ta
1180
1395
8,5
30
31
432
260
210
228
200
894
5
Ti, 7,1 Al, 4,8 Zr, 7,2 W, 3,8 Hf, 3,9 Ta
1252
1400
7,5
12
28
468
298
244
256
220
918
6
Ti, 7,7 Al, 5,5 Zr, 7,8 W, 4,5 Hf, 4,2 Ta
1347
1443
3,8
7
16
495
318
274
281
248
948
Из таблицы видно, что предлагаемый сплав заметно превосходит известные титановые сплавы по уровню прочности и жаропрочности при температуре до 800°С. Одновременно сплав обеспечивает достаточно высокий уровень пластических и вязких свойств, что обуславливает его надежную работу в высоконагруженных конструкциях.
Использование заявленного технического решения позволит:
- снизить весовые характеристики узлов изделий, работающий при температурах ≥800°С, в 1,5-1,8 раза за счет замены высоконагруженных деталей из жаропрочных никелевых сплавов;
- обеспечить повышение надежности работы титановых изделий при температуре ≥800°С за счет исключения процесса проникающего окисления металла;
- оптимизировать технологию изготовления деталей и узлов, в том числе сварных, за счет возможности термической обработки на воздухе, исключив вакуумное и с защитной атмосферой термическое оборудование.
Таким образом, данное изобретение обеспечивает улучшение весовых характеристик за счет замены высоконагруженных деталей из жаропрочных никелевых сплавов, повышение прочности и сопротивление ползучести при отсутствии охрупчивания в процессе работы при повышенных температурах до 800°С. Кроме того, при реализации предлагаемого изобретения обеспечивается стабильная высокая жаростойкость и жаростойкость при повышенных температурах.