Патент на изобретение №2259414

(54) СПЛАВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО

(57) Реферат:

Изобретение относится к области металлургии, а именно к разработке сплавов на основе титана, работающих при повышенных температурах, и может быть использовано в авиационной промышленности для изготовления деталей, например дисков, лопаток, колец, а также в машиностроении. Предложен сплав на основе титана и изделие, выполненное из него. Сплав включает алюминий, цирконий, олово, ниобий, молибден, кремний, углерод и кислород, при этом он дополнительно содержит вольфрам и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: алюминий 5,8 – 6,6, цирконий 2,0 – 4,0, олово 2,5 – 4,5, ниобий 0,8 – 2,5, молибден 0,8 – 1,5, кремний 0,25 – 0,45, углерод 0,05 – 0,1, кислород 0,05 – 0,12, вольфрам 0,35 – 0,8, железо 0,06 – 0,13, титан – остальное. Технический результат – разработка сплава, имеющего меньший вес при заданной кратковременной прочности и удельной малоцикловой усталости, что повысит ресурс и надежность деталей горячего тракта авиационных двигателей. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к разработке сплавов на основе титана, работающих при повышенных температурах.

Изобретение может быть использовано в авиационной промышленности для изготовления деталей авиационных двигателей (диски, лопатки, кольца и др.), машиностроении и других отраслях промышленности. Известен сплав на основе титана, имеющий следующий химический состав, мас.%:

(Патент ЕР №0107419).

Известен сплав на основе титана, имеющий следующий химический состав, мас.%:

(Патент ЕР №0269196).

Известные сплавы имеют пониженные значения кратковременной прочности при рабочих температурах 500-600°С и термической стабильности – удар с трещиной. Детали авиационных двигателей (диски, лопатки, кольца и др.), изготовленные из известных сплавов, имеют ограниченный ресурс работы при рабочих температурах.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является сплав на основе титана, имеющий состав, мас.%:

(Патент РФ 2039112).

Сплав-прототип имеет недостаточно высокие значения удельного предела кратковременной прочности при температурах 500-600°С, удельной малоцикловой усталости при осевой нагрузке на базе 10⁴ циклов при температурах 20 и 550°. Детали авиационных двигателей (диски, лопатки, кольца и др.), изготовленные из сплава-прототипа, имеют ограниченный ресурс при температурах выше 500°С.

Технической задачей изобретения является разработка сплава, имеющего удельную длительную прочность и удельную ползучесть на уровне прототипа и обладающего более высокими характеристиками удельной кратковременной прочности при температурах 500-600°С и удельной малоцикловой усталости на базе 10⁴ циклов в интервале рабочих температур 20…600°С, позволяющего повысить надежность работы деталей авиационных двигателей.

Для достижения поставленной технической задачи предложен сплав, включающий алюминий, цирконий, олово, ниобий, молибден, кремний, углерод, кислород, который дополнительно содержит вольфрам и железо, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

и изделие, выполненное из него.

Из предлагаемого сплава могут изготавливаться штамповки, поковки, прутки, кольца и детали из них, работающие при температурах 500-600°С.

Авторами установлено, что дополнительное введение вольфрама и железа в сплав на основе титана с заявленными компонентами при одновременном повышении содержания кремния компенсирует потерю кратковременной прочности и малоцикловой усталости, обусловленные снижением концентрации примесей в сплаве. Введение вольфрама и железа в концентрациях, мало превышающих их растворимость в – титане и одновременно исключающих протекание эвтектоидной реакции, замедляет процессы перераспределения легирующих элементов между и -фазами, что повышает термическую стабильность сплава и ресурс.

Повышение содержания кремния в сплаве приводит к частичной замене интерметаллидного упрочнения ₂(Al+Sn) силицидным за счет образования сложных силицидов (TiZr)₅Si₃ и карбосилицидов (TiZr)₃(SiC)₂, которые в виде дисперсных выделений упрочняют сплав, повышая его высокотемпературную удельную кратковременную прочность и малоцикловую усталость на базе 10⁴ циклов в диапазоне температур 20-600°С, сохраняя при этом высокую жаропрочность и сопротивление ползучести.

Примеры осуществления

Слитки предлагаемых сплавов изготавливали по технологии производства титановых сплавов, которая включала изготовление из шихтовых материалов расходуемого электрода и выплавку слитков трехкратным вакуумно-дуговым переплавом. Механически обработанные литые заготовки подвергались ковке и прокатке с целью получения полуфабрикатов – прутков диаметром 25 мм. Прутки подвергались термической обработке: двойному отжигу.

Составы предлагаемого сплава (№1-3) и сплава – прототипа №4 приведены в таблице 1. Свойства предлагаемого сплава и прототипа приведены в таблице 2.

Таблица 2
№п/п	Свойства при температурах, °С
	20			550			600
	в/, км	0/, км N=104 цикл		в/, км	0/, км N=104 цикл		в/, км	100/, км	0,2/100/, км
		образцы гладкие	образцы с надрезом r=0,25 мм		образцы гладкие	образцы с надрезом r=0,25 мм
1	23,8	21,3	10,4	18,6	14,0	7,7	17,5	7,9	3,64
2	25,4	21,8	10,9	19,3	14,6	8,3	18,2	7,95	3,64
3	25,9	22,0	11,3	20,0	15,4	8,6	18,6	7,95	3,66
4	23,8	19,5	8,8	15,8	12,5	6,5	14,1	7,9	3,64
Примечание: плотность сплавов №№1-4 равна 4,4 г/см3.

Как видно из таблицы 2, предлагаемый сплав имеет удельную длительную прочность (₁₀₀/) и удельную ползучесть (_0,2/100/) на уровне сплава прототипа и превосходит сплав-прототип по удельной кратковременной прочности (_в/) при температурах 500-600°С на 17,1-24,1%, по удельной малоцикловой усталости (₀/) при 20 и 50°С: на гладких образцах на 9,2-12%, на образцах с надрезом на 18,2-18,4%, на базе 10⁴ циклов.

Использование предлагаемого сплава за счет повышения удельной кратковременной прочности и удельной малоцикловой усталости позволит снизить вес, повысить ресурс и надежность деталей горячего тракта авиационных двигателей.

Формула изобретения

1. Сплав на основе титана, включающий алюминий, цирконий, олово, ниобий, молибден, кремний, углерод и кислород, отличающийся тем, что он дополнительно содержит вольфрам и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:

2. Изделие, выполненное из сплава на основе титана, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п.1.