Патент на изобретение №2396366

(54) ЖАРОПРОЧНЫЙ ТИТАНОВЫЙ СПЛАВ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области металлургии титановых сплавов и может быть использовано для деталей и узлов ракетных и авиационных двигателей, работающих под высокими нагрузками при температурах до 750-800°С. Заявлен жаропрочный титановый сплав. Сплав содержит, мас.%: алюминий 5,0-7,5, цирконий 3,0-5,0, вольфрам 5,0-7,5, гафний 0,005-0,2, титан – остальное. Содержание алюминия Al и вольфрама W удовлетворяет неравенству, мас.%: [W-Al]0,5. Сплав получен в вакуумно-дуговой печи методом двойного переплава. Сплав характеризуется высокой жаропрочностью и жаростойкостью. Изделия, выполненные из заявленного сплава, работают до температуры 750°С при длительном нагружении и до 800°С°С при кратковременном нагружении. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к области металлургии титановых сплавов и может быть использовано для деталей и узлов ракетных и авиационных двигателей, работающих под высокими нагрузками при температурах до 750-800°C.

При изготовлении указанных конструкций необходимо учитывать следующие требования:

– сплав, из которого изготавливается конструкция, должен обладать достаточно стабильным фазовым составом, чтобы избежать охрупчивания в процессе длительного нагружения и обеспечить высокую прочность и сопротивление ползучести при повышенных температурах;

– сплав должен обладать достаточной жаростойкостью при повышенных температурах.

Известен титановый сплав (патент РФ 533050 от 14.08.75, МПК: C22C 14/00). Его химический состав, мас.%:

Недостатком этого сплава является недостаточно высокая жаропрочность для деталей и узлов двигателей (он может применяться до температур 500-550°C) и низкая жаростойкость (сплав интенсивно окисляется, начиная с температуры 450°C).

Известен титановый сплав ВТ18У (Б.А.Калачев, В.И.Елагин, В.А.Ливанов Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. – М.: МИСиС, 2005 г., с.217), достаточно широко применяемый в авиационной промышленности для лопаток, дисков компрессоров двигательных установок, имеющий следующий химический состав, мас.%:

Деформируемый жаропрочный титановый сплав является сплавом на основе -фазы (псевдо--сплавом). Сплав выплавляется в вакуумной дуговой печи методом двойного переплава. Сплав работоспособен до температуры 650°C при длительной эксплуатации. Существенным недостатком сплава из-за высокого содержания алюминия является его термическая нестабильность в процессе выдержки при рабочей температуре, что приводит к снижению пластических свойств металла, более низкая технологическая пластичность при горячей деформации, особенно в литом состоянии, по сравнению с другими титановыми сплавами и низкая жаростойкость: сплав начинает интенсивно окисляться при нагреве выше 500°C.

Известен титановый сплав, принятый за прототип (патент РФ 1804139 от 17.04.91, МПК: С22С 14/00), содержащий, мас.%:

Заявленный сплав имеет высокий уровень прочности и пластичности при комнатной температуре. Известный титановый сплав получен литейным способом и предназначен для изготовления фасонного литья, поскольку преимущество титановых сплавов как конструкционных материалов в наибольшей степени реализуется при высоком уровне прочности. Сплав выплавляется в вакуумно-дуговой гарниссажной печи. Хотя сплав содержит вольфрам и гафний, но имеет низкую жаропрочность, склонен к охрупчиванию при длительных нагревах из-за высокого содержания циркония.

Задачей предлагаемого изобретения является создание технологичного высокожаропрочного и жаростойкого титанового сплава, работоспособного до температуры 750°C при длительном нагружении и до 800°C при кратковременном нагружении.

Технический результат заключается в обеспечение надежности работы титановых деталей изделий при температурах до 800°C, в улучшении весовых характеристик узлов изделий, работающих при температурах 750-800°C, в 1,5-2 раза за счет замены аналогичных высоконагруженных деталей из жаропрочных никелевых сплавов титановыми.

Поставленная задача достигается тем, что жаропрочный титановый сплав, содержащий алюминий, цирконий, вольфрам, гафний, титан, получен в вакуумно-дуговой печи, при этом для обеспечения сбалансированности химического и фазового составов предлагаемого сплава содержание алюминия Al и вольфрама W должно удовлетворять следующему неравенству: |% W-% Al|0,5%. Наилучшие результаты жаропрочного титанового сплава достигаются при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Жаропрочный титановый сплав получен методом двойного переплава.

Сплав выплавлялся методом двойного переплава в вакуумно-дуговой печи. Для экспериментальной проверки заявляемого состава были выплавлены несколько композиций сплава в виде слитков, из которых были изготовлены кованые прутки d=16 мм, отожженные затем при температуре 800°C в течение одного часа с последующим охлаждением на воздухе.

Из прутков были изготовлены образцы для механических испытаний при нормальных и повышенных температурах, а также образцы для оценки жаростойкости, которая определялась с помощью дериватографа по максимальной температуре, до которой не наблюдалось окисление металла (по привесу).

В таблице представлены результаты проведенных испытаний на растяжение, ударный изгиб, длительную прочность, ползучесть и жаростойкость разработанной композиции сплава. Для сравнения приведены данные для прототипа, аналога титанового сплава ВТ18У и композиций с уровнем легирования ниже и выше, чем для разработанного сплава.

Из таблицы следует, что сплав предлагаемого состава (4-8) заметно превосходит известные титановые сплавы по уровню прочности и жаропрочных характеристик при температурах 750-800°C, а также по стойкости против окисления: максимальная температура нагрева без окисления >800°C против 500°C. Одновременно сплав обеспечивает достаточно высокий уровень пластических и вязких свойств, что обусловливает его надежную работу в высоконагруженных конструкциях. Сплав, соответствующий составу п.9, обладает низкими пластическими свойствами.

Использование заявленного технического решения позволит:

– улучшить весовые характеристики узлов изделий, работающих при температурах 750-800°C, в 1,5-2 раза за счет замены высоконагруженных деталей из жаропрочных никелевых сплавов;

– обеспечить надежность работы титановых деталей изделий при температурах до 800°C за счет исключения процесса проникающего окисления металла.

Результаты проведенных испытаний сплавов
п/п	Композиция сплава	Температура испытания, °C	Макс. т-ра нагрева без окисления, °C
20	750	800
0,2, МПа	B, МПа	, %	, %	KCU, Дж/см2	B, МПа	100, МПа	100, <1% МПа	B, МПа	2, МПа	2, <1% МПа
1	ВТ18У	932-1128	981-1177	8-11	25-45	20-40	(700) 373	(650) 186	(650) 98	137	–	–	500
2	прототип	1110-1135	1205-1220	5,9-6,0	–	23-24	–	–	–	–	–	–	–
3	Ti-4,7 Al-2,5 Zr-4,8 W-0,004 Hf	1009	1068	16	39	30	440	189	124	245	141	108	780
4	Ti-5,1 Al-3,2 Zr-5,3 W-0,008 Hf	1078	1128	16	36	31	481	206	147	343	176	137	800
5	Ti-5,4 Al-3,5 Zr-5,6 W-0,1 Hf	1099	1164	15	36	30	500	218	148	356	176	139	816
6	Ti-6,0 Al-4,5 Zr-6,0 W-0,12 Hf	1147	1226	13	31	30	517	228	166	370	194	155	830
7	Ti-6,7 Al-5,0 Zr-7,0 W-0,15 Hf	1164	1280	8	20	27	544	239	172	390	204	168	846
8	Ti-7,2 Al-5,0 Zr-7,3 W-0,19 Hf	1226	1324	6	11	25	569	248	177	412	216	187	861
9	Ti-7,7 Al-5,5 Zr-7,8 W-0,24 Hf	1324	1373	4	7	20	611	238	189	441	234	206	890

Формула изобретения

1. Жаропрочный титановый сплав, полученный в вакуумно-дуговой печи и содержащий алюминий, цирконий, вольфрам, гафний и титан, отличающийся тем, что он содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:

при этом содержание алюминия Al и вольфрама W удовлетворяет неравенству, мас.%: [W-Al]0,5.

2. Жаропрочный титановый сплав по п.1, отличающийся тем, что получен методом двойного переплава.