сплав на основе гамма алюминида титана

Классы МПК:C22C14/00 Сплавы на основе титана
C22F1/18 тугоплавких или жаростойких металлов или их сплавов 
Автор(ы):, , , ,
Патентообладатель(и):Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" (RU),
Открытое акционерное общество "Уфимское моторостроительное производственное объединение" (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2013-03-14
публикация патента:

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам на основе гамма-алюминида титана и может быть использовано при получении изделий ответственного назначения, работающих при температурах до 800°C, в частности лопаток газотурбинных двигателей. Способ получения сплава на основе гамма-алюминида титана сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 -TiAl, имеющего плотность при комнатной температуре не более 4,2 г/см3, температуру солидуса не менее 1450°C, количество фаз сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 2 и сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 при 600-800°C не менее 20 мас.% и не менее 69 мас.% соответственно, суммарное количество этих фаз не менее 95 мас.%, а содержание ниобия в сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 -фазе не менее 3 мас.%, заключается в том, что сплав на основе гамма-алюминида титана сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 -TiAl, содержащий ниобий в количестве 1,3, или 1,5, или 1,6 ат.% и переходные металлы, выбранные из хрома в количестве 1,3 или 1,7 ат.% и циркония в количестве 1,0 ат.%, подвергают горячему изостатическому прессованию, совмещенному с термообработкой путем отжига при температуре 800°С и выдержки в течение 100 часов. Сплав обладает низкой плотностью и имеет стабильный фазовый состав при рабочих температурах. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 4 табл., 1 пр.

сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250

Формула изобретения

1. Способ получения сплава на основе гамма-алюминида титана сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 -TiAl, имеющего плотность при комнатной температуре не более 4,2 г/см3, температуру солидуса не менее 1450°C, количество фаз сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 2 и сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 при 600-800°C не менее 20 мас.% и не менее 69 мас.% соответственно, суммарное количество этих фаз не менее 95 мас.%, а содержание ниобия в сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 -фазе не менее 3 мас.%, заключающийся в том, что сплав на основе гамма-алюминида титана сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 -TiAl, содержащий ниобий в количестве 1,3, или 1,5, или 1,6 ат.% и переходные металлы, выбранные из хрома в количестве 1,3 или 1,7 ат.% и циркония в количестве 1,0 ат.%, подвергают горячему изостатическому прессованию, совмещенному с термообработкой путем отжига при температуре 800°С и выдержки в течение 100 часов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сплав получают в виде фасонной отливки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам на основе гамма-алюминида титана (сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 -TiAl), получаемым методами фасонного литья и предназначенным для получения изделий ответственного назначения, работающих при температурах до 8000°C.

Сплавы на основе алюминида титана TiAl (далее сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 -сплавы) представляются одними из наиболее перспективных материалов для получения лопаток газотурбинных двигателей нового поколения, в частности методами фасонного литья [Appel F., Paul J.D.H., and Oehring M «Gamma Titanium Aluminide Alloys: Science and Technology)), Wiley-VCH Verlag & Co. KGaA, 2011, 745 р.]. Эти сплавы должны обладать не только высокими литейными свойствами, но и комплексом разных механических свойств: прочностью, пластичностью, усталостными свойствами, жаропрочностью и др. Особенностью сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 -сплавов является высокая чувствительность их фазового состава и, как следствие, эксплуатационных свойств даже к небольшим изменениям концентраций легирующих элементов и к параметрам технологического процесса, в частности к режиму термообработки.

Основное достоинство гамма-сплавов по сравнению с жаропрочными никелевыми сплавами состоит в их более низкой плотности (примерно в 2 раза), что для летательных аппаратов имеет первостепенное значение. С увеличением концентрации алюминия плотность снижается. В частности, для соединения TiAl стехиометрического состава (36 мас.% Al) она составляет 3,8 г/см3. Однако двойной сплав обладает хрупкостью и не позволяет обеспечить необходимый комплекс служебных свойств.

Повысить пластичность гамма-сплавов можно за счет дополнительного легирования ниобием и другими переходными металлами. В частности, известен сплав 48-2-2, содержащий 48 ат.% Al, 2 ат.% Nb, 2 ат.% Cr [Ильин А.А., Колачев Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства. Справочник. M.: ВИЛС-МАТИ, 2009, 520 с]. Этот сплав обладает более высоким комплексом прочностных свойств по сравнению с TiAl, имея достаточно низкую плотность (до 4,1 г/см3 ). Недостатком этого сплава является низкий солидус (ниже 1450°C), что ограничивает жаропрочность (в частности, предельные рабочие температуры). Кроме того, пластичность этого сплава невысока, что связано с малым количеством альфа-2 (сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 2) фазы.

Наиболее близким к предложенному является сплав на основе гамма-алюминида титана, раскрытый в патенте US 6524407 (Feb. 25, 2003). Данный сплав содержит 45 ат.% Al, 5-10 ат.% Nb, а также малые добавки углерода и бора, мало влияющие на фазовый состав. Данный сплав обладает высокой прочностью при повышенных температурах. Его главным недостатком является повышенная плотность (около 5 г/см3), что обусловлено высокой концентрацией ниобия.

Задачей изобретения является создание нового сплава на основе гамма-алюминида титана, обладающего сочетанием низкой плотности, достаточно высокой температуры солидуса и имеющего стабильный фазовый состав при рабочих температурах в интервале от 600 до 800°С при содержании альфа-2 (сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 2) фазы не менее 20 мас.% и концентрации ниобия в гамма-фазе не менее 3 мас.%.

Поставленная задача решена тем, что предложен сплав на основе гамма (сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 )-алюминида титана, содержащий ниобий и другие переходные металлы, отличающийся тем, что его плотность при комнатной температуре не превышает 4,2 г/см3, температура солидуса составляет не менее 1450°С, количества фаз альфа-2 (сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 2) и сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 при 600-800°С составляют не менее 20 мас.% и не менее 69 мас.% соответственно, суммарное количество этих фаз составляет не менее 95 мас.%, а концентрация ниобия в сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 -фазе составляет не менее 3 мас.%,

В частном исполнении сплав выполнен в виде фасонных отливок.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Заданная плотность сплава обеспечивается малым содержанием ниобия и других переходных металлов. Заданная температура солидуса обеспечивается, главным образом, ограничением по концентрации алюминия - не более 46 мол.%. Заданное количество фаз сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 и сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 2 обеспечивается оптимальным соотношением легирующих добавок и соответствующей термообработкой. Наличие фаз в заявленных пределах при рабочих температурах позволяет получить достаточно дисперсную и однородную структуру, включая малое межпластинчатое расстояние внутри эвтектоидных колоний сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 2+сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 . Это позволяет получить достаточно высокий и стабильный комплекс механических свойств при рабочих температурах. При содержании фазы сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 2 ниже заявленного значения снижается пластичность. При содержании фазы сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 ниже заявленного значения снижаются характеристики жаропрочности. При содержании суммарного количества этих фаз ниже заявленного значения снижаются термическая стабильность механических свойств при рабочих температурах. При концентрации ниобия в сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 -фазе менее 3 мас.% снижаются характеристики пластичности и жаропрочности.

ПРИМЕР ВЫПОЛНЕНИЯ

Поскольку рабочие температуры гамма-сплавов достаточно высоки, следует ожидать достижения состояния, близкого к равновесному. Это позволяет проводить количественные оценки с использованием соответствующих диаграмм состояния. На основании расчета с использованием программы Thermo-Calc (база данных TTTIAL, см. www/thermocalc.com) были выбраны сплавы системы Ti-Al-Nb-Cr и Ti-Al-Nb-Zr оптимального состава. В качестве примера в табл.1 приведены параметры фазового состава трех сплавов (1-3), отвечающих изобретению, сравнительно с известными сплавами (4-5)

Таблица 1
Расчетные параметры фазового состава гамма-сплавов
Сплав сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 , °CКоличество фаз при TW, мас.% сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 , °Cсплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 , мас.%
Состав, ат.% сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 2сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 2
1Ti - 45, 0Al - 1,3 Nb - 1,7 Cr60024,7 71,295,9 14683,5
70026,370,5 96,83,5
80029,0 69,498,43,6
2 Ti - 45, 5Al - 1,6 Nb - 1,3 Cr600 22,374,8 97,11475 4,2
700 25,074,399,3 4,3
800 26,073,5 99,54,3
3Ti - 45, 3Al - 1,5 Nb - 1,0 Zr60027,8 72,2100 15014,0
70028,371,7 1004,0
80028,9 71,21003,9
4 Ti - 48,0 Al - 2,0 Nb - 2,0 Cr600 1,193,7 94,81424 5,0
700 0,794,595,2 4,9
800 1,193,7 94,85,0
5Ti - 45, 0Al - 7,5 Nb 60021,5 78,5100 150118,1
70021,778,3 10018,0
80021,8 78,210017,8
1 - рабочая температура, 2 температура солидуса, 3 концентрация ниобия в фазе сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250

Как видно из табл.1, сплавы 1-3 (отвечающие изобретению) и 5 (прототип) в интервале температур 600-800°C имеют требуемые характеристики фазового состава: температура солидуса превышает 1450°C, количество фаз альфа-2 (сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 2) и сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 при 600-800°C составляют не менее 20 мас.% и не менее 69 мас.% соответственно, суммарное количество этих фаз составляет не менее 95 мас.%, а концентрация ниобия в сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 -фазе составляет не менее 3 мас.%.

Температура солидуса известного сплава 4 составляет менее 1450°C количество фазы сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 2 при 600-800°C намного ниже требуемого значения.

Сплав № 1-4 были приготовлен в виде отливок в вакуумной плавильно-заливочной установке с медным водоохлаждаемым тиглем. Образцы этих сплавов были подвергнуты термообработке (включая ГИП-обработку), после чего была экспериментально определена их плотность (методом взвешивания на аналитических рычажных весах на воздухе и воде). Как видно из табл.2, плотность сплавов 1-3 ниже 4,2 г/см3. В известном сплаве, выбранном в качестве прототипа, плотность существенно выше требуемого значения.

Таблица 2
Экспериментально определенная плотность гамма-сплавов
Сплав1 D, г/см3
1 4,155
2 4,16
3 4,158
5 4,667
1 см. табл.1

В сплавах 1-3 были экспериментально определены количества фаз на рентгеновском дифрактометре. Съемка проводилась на аппарате ДРОН 2 в медном излучении с длиной волны 1.54178 Å в интервале углов 2сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 10-110°C шагом 0,1°. Концентрацию ниобия в сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 -фазе определяли на сканирующем электронном микроскопе JSM-6610LV, укомплектованном энергодисперсионной приставкой-микроанализатором INCA SDD X-MAX производства Oxford Instruments и программным обеспечением INCA Energy. Анализировали образцы, отожженные при 800°C в течение 100 часов. Структура сплавов в основном состояла из эвтектоидных колоний сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 2+сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 (Фиг.1). Как видно из табл.3, экспериментально определенные значения близки расчетным (табл.1).

Таблица 3
Экспериментально определенные параметры фазового состава сплава 1 после выдержки при 800°C в течение 100 часов
Сплав Количество фаз, мас.%сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 , мас.%
сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 2сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250
1 28,270,43,8
226,7 74,54,3
327,6 72,34,1

Сплав 1 (табл.1) был приготовлен в виде фасонной отливки в форме лопатки (Фиг.2). Отливки были подвергнуты термообработке (включая ГИП-обработку). Затем из них были вырезаны образцы для определения механических свойств на растяжение: временного сопротивление (сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 в), предела текучести (сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 0,2) и относительное удлинение (сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 ). Испытания проводили при температурах 600-800°C. Из табл.4 видно, что заявленный сплав обладает высокой стабильностью механических свойств, что является следствием стабильности фазового состава при температурах в интервале 600-800°C.

Таблица 4
Механические свойства заявленного сплава (состав 1 в табл.1) при разных температурах
Температура Временное сопротивление (сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 в), МПаПредел текучести (сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 0,2), МПаОтносительное удлинение (сплав на основе гамма алюминида титана, патент № 2520250 ), %
600 7256952,8
700735 6903,5
800730 6804,1

Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2520250

patent-2520250.pdf

Класс C22C14/00 Сплавы на основе титана

способ изготовления заготовок из титана -  патент 2529131 (27.09.2014)
сплав на основе алюминида титана и способ обработки заготовок из него -  патент 2525003 (10.08.2014)
способ получения отливок сплавов на основе гамма алюминида титана -  патент 2523049 (20.07.2014)
сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе титана -  патент 2519063 (10.06.2014)
быстрозакаленный припой из сплава на основе титана-циркония -  патент 2517096 (27.05.2014)
способ получения сплавов на основе титана -  патент 2515411 (10.05.2014)
сплав на основе титана и изделие, выполненное из него -  патент 2507289 (20.02.2014)
способ получения порошков сплавов на основе титана, циркония и гафния, легированных элементами ni, cu, ta, w, re, os и ir -  патент 2507034 (20.02.2014)
сплав на основе титана -  патент 2506336 (10.02.2014)
наноструктурный сплав титан-никель с эффектом памяти формы и способ получения прутка из него -  патент 2503733 (10.01.2014)

Класс C22F1/18 тугоплавких или жаростойких металлов или их сплавов 

способ комбинированной интенсивной пластической деформации заготовок -  патент 2529604 (27.09.2014)
способ изготовления заготовок из титана -  патент 2529131 (27.09.2014)
сплав на основе алюминида титана и способ обработки заготовок из него -  патент 2525003 (10.08.2014)
способ изготовления тонких листов -  патент 2522252 (10.07.2014)
способ изготовления поковок дисков из сплава алюминия титана на основе орто-фазы -  патент 2520924 (27.06.2014)
способ изготовления каркасов искусственных клапанов сердца из технически чистого титана -  патент 2514765 (10.05.2014)
способ ковки термомеханической детали, выполненной из титанового сплава -  патент 2510680 (10.04.2014)
способ получения трубы из технически чистого титана с радиальной текстурой -  патент 2504598 (20.01.2014)
способ термической обработки литых заготовок из заэвтектоидных интерметаллидных сплавов на основе фаз -tial+ 2-ti3al -  патент 2503738 (10.01.2014)
наноструктурный сплав титан-никель с эффектом памяти формы и способ получения прутка из него -  патент 2503733 (10.01.2014)
Наверх