патент
№ RU 2606368
МПК C22C14/00

СПЛАВ НА ОСНОВЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДА ТИТАНА И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО

Авторы:
Каблов Евгений Николаевич Ночовная Надежда Алексеевна Каблов Дмитрий Евгеньевич
Все (18)
Номер заявки
2015144209
Дата подачи заявки
15.10.2015
Опубликовано
10.01.2017
Страна
RU
Дата приоритета
31.05.2024
Номер приоритета
Страна приоритета
Как управлять
интеллектуальной собственностью
Реферат

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам на основе интерметаллидов титана и алюминия с рабочими температурами не выше 825°C, изделия из которых могут быть использованы в конструкции авиационных газотурбинных двигателей и наземных энергетических установок. Заявлены варианты сплавов на основе гамма-алюминида титана. Сплав на основе гамма-алюминида титана содержит, мас.%: алюминий 30,0-35,0, ванадий 0,7-3,5, ниобий 1,2-6,0, цирконий 1,2-3,5 или хром 2,0-3,5, гадолиний 0,2-0,6, бор 0,003-0,03, титан - остальное. Сплавы характеризуются высокими значениями предела текучести при температуре 20°C, длительной прочности (за 100 часов) при температуре 800°C, а также низкой склонностью к образованию ликвационной неоднородности химического состава. 4 н.п. ф-лы, 2 табл., 6 пр.

Формула изобретения

1. Сплав на основе гамма-алюминида титана, содержащий алюминий, ниобий, бор и титан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит ванадий, цирконий и гадолиний, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
алюминий 30,0-35,0
ванадий 0,7-3,5
ниобий 1,2-6,0
цирконий 1,2-3,5
гадолиний 0,2-0,6
бор 0,003-0,03
титан остальное
2. Изделие в виде фасонной отливки, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава на основе гамма-алюминида титана по п. 1.
3. Сплав на основе гамма-алюминида титана, содержащий алюминий, ниобий, бор и титан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит ванадий, хром и гадолиний, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
алюминий 30,0-35,0
ванадий 0,7-3,5
ниобий 1,2-6,0
хром 2,0-3,5
гадолиний 0,2-0,6
бор 0,003-0,03
титан остальное
4. Изделие в виде фасонной отливки, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава на основе гамма-алюминида титана по п. 3.

Описание

Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно к сплавам на основе интерметаллидов титана и алюминия с рабочими температурами не выше 825 градусов Цельсия, изделия из которых могут быть использованы в конструкции авиационных газотурбинных двигателей и наземных энергетических установок.

Известен сплав на основе алюминида титана TiAl (US 4879092 А, C22C 14/00, опубл. 07.11.1989), имеющий следующий химический состав, мас. %:

алюминий30,5-35,5
хром1,3-4,1
ниобий2,4-11,7
титаностальное

Из известного сплава изготавливаются детали газотурбинных двигателей (лопатки турбины низкого давления), работающие при температурах до 750 градусов Цельсия (Kothari et al. // Progress in Aerospace Sciences. 2012. T. 55. C. 1-16). Данный сплав обладает сбалансированным комплексом литейных и технологических свойств, однако имеет существенные недостатки: сравнительно низкий предел длительной (за 100 часов) прочности при рабочих температурах (без дополнительной термической обработки) и низкую стойкость к окислению (жаростойкость) при температурах выше 600 градусов Цельсия, что требует применения защитных покрытий.

Известен сплав на основе алюминида титана TiAl (JP 10060564 А, C22C 14/00, опубл. 03.03.1998), имеющий следующий химический состав, мас. %:

алюминий28,2-31,9
ниобий11,0-19,7
кобальт0,7-2,8
хром1,2-2,5
тантал1,2-3,5
титаностальное

Данный сплав обладает хорошей термической стабильностью структуры и удовлетворительной жаростойкостью. К недостаткам сплава можно отнести крайне низкую пластичность при температуре 20 градусов Цельсия (относительное удлинение не превышает 1%).

Известен сплав на основе алюминида титана TiAl (US 6294132 B1, C22C 14/00, опубл. 25.09.2001), имеющий следующий химический состав, мас. %:

алюминий29,1-31,6
ниобий15,5-17,9
хром1,2-2,5
кремний0,1-0,3
никель0,4-2,8
иттрий0,02-0,11
титаностальное

Основным недостатком известного сплава является повышенная вследствие высокого содержания ниобия плотность (на 20% по сравнению с нелегированным интерметаллидом TiAl) и, как следствие, низкие удельные свойства.

Наиболее близким аналогом предлагаемому новому сплаву по технической сущности и достигаемому эффекту является сплав на основе титана (RU 2191841 С2, C22C 14/00, опубл. 27.10.2002), принятый за прототип, содержащий алюминий, хром, ниобий, молибден, цирконий, кремний, углерод, олово и титан, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

алюминий34,0-35,5
хром1,0-2,0
ниобий2,5-3,5
молибден0,3-1,2
цирконий0,5-1,5
кремний0,2-0,3
углерод0,08-0,12
олово0,05-0,10
титаностальное

Сплав-прототип имеет следующие недостатки:

- высокую склонность к ликвации вследствие большого числа легирующих элементов, отличающихся температурами плавления, атомными массами, строением электронных оболочек атомов, а также взаимным химическим сродством;

- низкие значения пределов статической прочности и текучести при температуре 20 градусов Цельсия (предел текучести не превышает 465 МПа).

Технической задачей изобретения является создание жаропрочного интерметаллидного сплава на основе гамма-алюминида титана TiAl, обладающего сбалансированным комплексом физико-механических, технологических и эксплуатационных характеристик, из которого возможно изготовление изделий в виде фасонных отливок методом литья в керамические формы по выплавляемым моделям.

Техническим результатом изобретения является повышение предела текучести при температуре 20 градусов Цельсия, повышение предела длительной прочности (за 100 часов) при температуре 800 градусов Цельсия, а также снижение склонности к образованию ликвационной неоднородности химического состава.

Для достижения технического результата предлагается сплав на основе гамма-алюминида титана, содержащий алюминий, ниобий, бор и титан, при этом сплав дополнительно содержит ванадий, цирконий и гадолиний, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

алюминий30,0-35,0
ванадий0,7-3,5
ниобий1,2-6,0
цирконий1,2-3,5
гадолиний0,2-0,6
бор0,003-0,03
титаностальное

Изделие, выполненное в виде фасонной отливки, причем оно выполнено из сплава на основе гамма-алюминида титана.

Кроме того, предлагается сплав на основе гамма-алюминида титана, содержащий алюминий, ниобий, бор и титан, при этом сплав дополнительно содержит ванадий, хром и гадолиний, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

алюминий30,0-35,0
ванадий0,7-3,5
ниобий1,2-6,0
хром2,0-3,5
гадолиний0,2-0,6
бор0,003-0,03
титаностальное

Изделие, выполненное в виде фасонной отливки, причем оно выполнено из сплава на основе гамма-алюминида титана.

Содержание алюминия в предлагаемых сплавах соответствует теоретически и экспериментально установленному авторами концентрационному интервалу в области существования основной интерметаллидной фазы - γ(TiAl), который отвечает оптимальному интервалу кристаллизации расплава.

Ванадий и хром вводятся в сплавы с целью повышения пластичности при нормальной температуре за счет стабилизации β-фазы, более пластичной, чем γ- или α2-фазы. Содержание ванадия и хрома ограничено на уровне не более 3,5 мас. % - это позволяет, как было обнаружено авторами экспериментально, обеспечить приемлемые значения пластичности (относительного удлинения) при температуре 20 градусов Цельсия на уровне 1,0-1,4%. Экспериментально также было установлено, что замена ванадия в сплаве на марганец, как, например, в US 5354351 А (C22C 14/00, опубл. 11.10.1994), US 5429796 А (C22C 32/00, опубл. 04.07.1995) и ЕР 1127949 А2 (C22C 21/00, опубл. 29.08.2001) привела бы к снижению пластичности и удельной прочности (за счет большей плотности марганца).

Ниобий вводится в сплавы с двойной целью, во-первых, этот элемент эффективно повышает жаропрочность и жаростойкость, а во-вторых, ниобий, являясь бета-стабилизатором, расширяет область существования β-фазы и снижает температуру трансуса α-фазы, что положительно сказывается на технологичности сплава при температурах обработки. Содержание ниобия ограничено в интервале 1,2-6,0 мас. % в целях сохранения баланса между абсолютными и относительными (удельными) характеристиками кратковременной и длительной прочности (увеличение содержания ниобия выше 6,0 мас. % приводит к существенному повышению плотности сплава и, как следствие, к проигрышу по удельным характеристикам). Снижение содержания ниобия ниже выбранного нижнего предела легирования (<1,2 мас. %), как было установлено авторами экспериментально, не позволяет обеспечить преимущество по уровню предела текучести предлагаемого сплава по сравнению со сплавом-прототипом.

Цирконий относится к нейтральным упрочнителям и вводится для повышения прочностных характеристик и модуля упругости сплава за счет повышения металлической составляющей межатомных связей в фазах на основе интерметаллидов.

Гадолиний и бор являются модификаторами расплава и необходимы для формирования как можно более тонкопластинчатой литой структуры «γ(TiAl)+α2(Ti3Al)» за счет повышения гетерогенной скорости зарождения частиц α2-фазы на частицах боридных фаз при наличии микродобавок бора в количестве от 0,003 до 0,03 мас. %. Кроме того, авторами экспериментально был выявлен дополнительный положительный эффект от введения гадолиния в пределах от 0,2 до 0,4 мас. %, а именно выделение в сплаве сложных фаз, обогащенных гадолинием и кислородом (оксиды гадолиния), которые также могут содержать титан и алюминий в стехиометрическом соотношении эквиатомного интерметаллида TiAl. Оксидные фазы выделяются вследствие склонности гадолиния к внутреннему окислению из-за большого химического сродства к кислороду. Примесные атомы кислорода, находясь преимущественно на границах бывшего β(α)-зерна, тормозят дислокации и препятствуют их перемещению от одного зерна к другому, что существенно затрудняет протекание деформационных процессов, поэтому связывание атомов кислорода в оксидные соединения, и, как следствие, освобождение границ зерен способствует повышению пластичности сплава.

Экспериментально было установлено, что структура предлагаемого сплава в литом состоянии представлена двумя основными фазами: γ(TiAl) - до 90 об. %, и α2(Ti3Al) - до 7 об. %; возможно содержание β-фазы в количестве до 5 об. %, а также сложных оксидных фаз в следовом количестве. Морфология микроструктуры - пластинчатая с поперечным размером колоний до 70 мкм; толщина отдельных пластин при этом составляет 1-4 мкм, что наряду с хорошо различимыми границами бывшего β(α)-зерна свидетельствует о большом числе независимых центров зарождения и роста частиц в связи с введением в композицию сплава модифицирующих добавок гадолиния и/или бора.

Примеры осуществления.

Многократным переплавом в вакуумной дуговой печи (ВДП) с расходуемым электродом были получены слитки цилиндрической формы из сплавов на основе гамма-алюминида титана с различным соотношением компонентов в установленных пределах легирования. Масса каждого слитка составляла от 23 до 25 кг, диаметр 160 мм; составы предлагаемого сплава (1-6) и известного сплава-прототипа (7), раскрытого в RU 2191841, приведены в таблице 1.

Выплавленные слитки разрезали вдоль основной оси на четыре одинаковых сектора, каждый из которых переплавляли в вакуумной индукционной печи (ВИП) с секционным медным водоохлаждаемым тиглем, и методом центробежного литья по выплавляемым моделям в керамические формы получали изделия в виде фасонных отливок. Полученные отливки подвергали горячему изостатическому прессованию (ГИП) при температурах 1250-1400 градусов Цельсия под давлением 150-200 МПа в течение 2-4 часов для удаления возможной микропористости.

После ГИП из отливок вырезали цилиндрические образцы для проведения испытаний с целью определения следующих характеристик:

- предела кратковременной прочности при статических испытаниях на растяжение по ГОСТ 1497;

- предела текучести (условного) при статических испытаниях на растяжение по ГОСТ 1497;

- предела длительной (за 100 часов) прочности при статических испытаниях на растяжение при повышенной температуре (800 градусов Цельсия) по ГОСТ 10145;

- химической неоднородности, макросегрегации (ликвации).

Значения характеристик механических свойств предлагаемого сплава и известного сплава-прототипа приведены в таблице 2.

Как видно из таблицы 2, значения предела текучести предлагаемого сплава по сравнению со сплавом-прототипом при температуре испытаний 20 градусов Цельсия повысились на 5-10%, а длительная прочность при температуре испытаний 800 градусов Цельсия повысилась на 10-40% в зависимости от количественного соотношения компонентов в предлагаемом сплаве при сохранении качественного состава.

Анализ химического состава проб, взятых из трех основных объемов отливки (замковая часть, середина и вершина пера), показал наличие минимальных отклонений содержания основных легирующих элементов, которые максимально отличаются друг от друга по атомной массе и плотности, от номинального состава (не более 0,7 мас. % по алюминию; не более 0,4 мас. % по ниобию), что свидетельствует о высокой степени химической однородности и отсутствии ликвационных эффектов и макросегрегации.

Использование предлагаемого сплава позволит повысить надежность выполненных из него изделий за счет меньшей склонности к ликвационной неоднородности и более высоких значений прочностных характеристик, а также повысить ресурс и рабочие температуры изделий с 700-750 до 800 градусов Цельсия за счет более высокой длительной прочности, которая обеспечивается качественным и количественным составом предлагаемого сплава.

Как компенсировать расходы
на инновационную разработку
Похожие патенты