Результат интеллектуальной деятельности: Интерметаллический сплав на основе TiAl

Изобретение относится к области металлургии, в частности легированным сплавам на основе титаналюминидов с преобладающей фазой γ-TiAl. Сплавы этого типа отличаются малой плотностью, высокой удельной прочностью и хорошей стойкостью к окислению и предназначены для экстремальных областей применения при высоких температурах и нагрузках. В частности, такие сплавы перспективны к применениям в составе жаропрочных компонентов авиационных газотурбинных двигателей, например, для изготовления лопаток компрессора и турбины низкого давления в составе такого двигателя.

Инновационные гамма-титаналюминиды, релевантные современному уровню техники (так называемые TNM-сплавы 3-го поколения), содержат 42-46 ат.% алюминия, и в качестве легирующих добавок переходные металлы, стабилизирующие первичную β-Ti фазу (также известную как В2-фаза), с которой начинается кристаллизация TNM-расплавов [Appel F., Paul J.D.H., Oehring М. "Gamma Titanium Aluminide Alloys: Science and Technology", Weinheim, Wiley-VCH Verlag, 2011, 745 р.]. Помимо Nb и Cr, используются такие β-стабилизаторы, как Mo, Та, Zr, W. Их применение приводит к сохранению в затвердевшем сплаве относительно малой объемной фракции стабилизированной В2-фазы, пластичной при высоких температурах. Благодаря этому, работоспособность известных TNM-сплавов в наиболее экстремальных условиях повышается до 700-800°С. Однако для применений в составе жаропрочных компонентов современных авиационных турбин необходимо повысить температурный диапазон работоспособности сплавов до температуры 900-950°С при сохранении плотности сплавов не более 4,2 г/см³.

Известен сплав, описанный в RU 2466201 С2 (опубл. 12.12.2008 г.), содержащий титан, от 38 до 46 ат.% алюминия и от 5 до 10 ат.% ниобия и имеющий структуру, включающую композитные пластинки, содержащие поочередно сформированные В19-фазу и β-фазу при их объемном соотношении от 0,05:1 до 20:1, окруженные пластинчатыми структурами типа γ-TiAl в количестве более 10 объемных процентов от объема всего сплава, причем пластинчатые структуры типа γ-TiAl содержат фазу α₂-Ti₃Al, количество которой составляет вплоть до 20 объемных процентов от объема всего сплава. В частности, в качестве дополнительных (независимых), а также самостоятельных решений в этом изобретении упомянуты сплавы на основе титаналюминидов следующих составов (в атомных %): Ti-(38,5-42,5)Al-(5-10)Nb-(0,5-5)Cr и Ti-(39-43)Al-(5-10)Nb-(0,5-5)Zr. Общими с заявляемым сплавом являются назначение изобретения, а также номенклатура основных и легирующих химических элементов. Различие состоит в том, что совместное легирование сплавов хромом и цирконием в известном изобретении не предусмотрено. Различия также состоят в количественных содержаниях элементов и, как следствие, в фазовых составах полученных сплавов. Различие также состоит в более низком по сравнению с заявляемой формулой содержании алюминия, что, в частности, приводит к формированию в составе сплавов по RU 2466201 орторомбической фазы В19, отсутствующей в заявляемом сплаве. Недостатком известных сплавов является необходимость проведения их дополнительных высокотемпературных термомеханических обработок для достижения требуемых свойств, в частности методом экструзии, или комбинации таких термообработок.

Известен также сплав на основе гамма-алюминида титана γ-TiAl, описанный в RU 2520250 С1 (опубл. 14.03.2013 г.), имеющий плотность при комнатной температуре не более 4,2 г/см³, 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.%. В частности, в примерах реализации изобретения упомянуты следующие составы сплавов (в атомных %): Ti-45Al-1,3Nb-1,7Cr; Ti-45,5Al-1,6Nb-1,3Cr и Ti-45,3Al-1,5Nb-1,0Zr. Общими с заявляемым сплавом являются назначение изобретения, а также номенклатура основных и легирующих химических элементов. Различие состоит в том, что совместное легирование сплавов хромом и цирконием в известном изобретении не предусмотрено. Различия также состоят в количественных содержаниях элементов и, как следствие, в фазовых составах полученных сплавов. Различие также состоит в более низком по сравнению с заявляемой формулой суммарном содержании переходных металлов. Это более низкое содержание переходных металлов, в частности, приводит к формированию в составе упомянутых по RU 2520250 сплавов двухфазной структуры (γ+α₂) при отсутствии β-фазы, что обусловливает недостаточную жаропрочность известного сплава и более низкий температурный предел его работоспособности 800°С по сравнению с заявляемым сплавом.

Прототипом заявляемого сплава выбран сплав на основе алюминидов титана, описанный в RU 2370561 С2 (опубл. 01.09.2005 г.), а также в US 2012263623 А1 (опубл. 18.10.2012 г.) и в CN 101056998 В (опубл. 13.10.2010 г.), который имеет состав Ti-zAl-yNb, где 44,5≤z≤45,5 ат.%, и 5≤y≤10 ат.%, а также содержит молибден 0,1≤Мо≤5 ат.% и имеет тонко дисперсную β-фазу в γ-титаналюминидном сплаве. В частности, в примерах реализации изобретения упомянут сплав состава Ti-45Al-5Nb-2Mo (в атомных %). Общими с заявляемым сплавом являются назначение изобретения, а также номенклатура составляющих химических элементов Ti, Al и Nb. Общим с заявляемым сплавом является также трехфазный состав сплава, состоящий из основных (γ+α₂) интерметаллических фаз и неосновной β/В2-фазы, существование которой обусловлено введением достаточного количества β-стабилизирующей добавки переходного металла (в данном случае молибдена). Недостатком известного сплава, выявленным в примерах его реализации, является относительно низкая жаропрочность, реализуемая до 700°С. Недостатком известного сплава является также использование в его составе тяжелого элемента Мо, повышающего плотность сплава.

Заявляемый сплав на основе TiAl отличается от прототипа формулой состава с содержанием компонентов в атомных %: алюминия 44-47, ниобия 5-8, хрома 1-3, циркония 1-3, и суммарным содержанием переходных металлов Nb, Cr и Zr не более 12 ат.%, при этом сплав имеет упорядоченную дуплексную структуру (γ+α₂)/γ/В2.

Содержание алюминия 44-47 ат.% обеспечивает кристаллизацию единственной первичной β-фазы из расплава в литейных процессах, реализацию оптимальной схемы твердофазных превращений и итоговый состав сплава по основным интерметаллическим фазам γ+α₂. Дополнительное введение ниобия с нижним пределом легирования соответственно прототипу позволяет повысить прочностные характеристики сплава в интервале рабочих температур, а также частично стабилизировать остаточное содержание неосновной β/В2 фазы. При заявленном содержании других компонентов содержание тяжелого Nb более 8 ат.% недопустимо из-за увеличения плотности сплава. Хром и цирконий, примененные совместно в диапазонах легирования от 1 до 3 ат.%, являются дополнительными стабилизаторами β/В2 фазы, но при этом имеют атомные веса меньшие, чем у Nb и Мо. Точная дозировка этих примесей обеспечивает необходимое количественное содержание β/В2 фазы. Nb, Cr и Zr являются примесями, замещающими Ti в основных интерметаллических фазах. При суммарном содержании Nb, Cr и Zr более 12 ат.% возрастает вероятность их локального взаимодействия в твердых растворах, приводящего к недопустимому формированию побочных металлических фаз с непредсказуемыми свойствами.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание сплава на основе TiAl, имеющего плотность не более 4,2 г/см³ и обладающего повышенными прочностными характеристиками при температурах до 900-950°С, а именно: пределом текучести 750-450 МПа, модулем Юнга 120-90 МПа при статических нагрузках в диапазоне температур 20-950°С, соответственно.

Указанный результат достигается изготовлением сплава в соответствии с составом, предложенным в формуле изобретения, например, с применением литейных технологий.

Изобретение поясняется чертежом, где на Фиг. 1 изображена микроструктура заявляемого сплава с обозначениями составляющих интерметаллических фаз. Изображение получено методом растровой электронной микроскопии в режиме обратно-рассеянных электронов.

Изобретение также поясняется Таблицей 1, где приведены данные измерений предела текучести (σ_0.2), модуля Юнга и скорости ползучести при нагрузке 200 МПа интерметаллического сплава Ti-44Al-5Nb-3Cr-1.5Zr (ат.%) в диапазоне температур 20-1050°С, полученные при одноосной деформации образцов на сжатие.

Сущность заявляемого изобретения поясняется примером реализации.

Пример 1. Сплав состава Ti-44Al-5Nb-3Cr-1.5Zr (ат.%) изготовлен с применением литейных технологий, в частности, методом высокоградиентной направленной кристаллизации в виде цилиндрической отливки. Плотность сплава при нормальных условиях, измеренная методом гидростатического взвешивания, равна 4,104 г/см³. Результаты механических испытаний сплава даны в численном виде в Таблице 1, наглядно иллюстрируя устойчивость сплава к высокотемпературной деформации. Из экспериментальных данных следует, что сплав обладает устойчивыми высокими механическими характеристиками до температуры 950°С, демонстрируя появление первых признаков ползучести при 1000°С. Следовательно, сплав пригоден для многих высокотемпературных применений, например, может использоваться для высоконагружаемых конструктивных элементов при чрезвычайно высоких для титаналюминидных сплавов температурах.

Указанные свойства объясняются трехкомпонентной дуплексной (ламельно-гранулярной) фазовой микроструктурой сплава, зафиксированной на Фиг. 1. Структура содержит домены ламельной α₂-Ti₃Al+γ-TiAl текстуры (80% объемных), гранулы γ-TiAl (15% объемных), и 5% межгранулярных прослоек β-Ti (В2) фазы. Ламельная текстура состоит из чередующихся ламелей γ-TiAl и α₂-Ti₃Al фаз субмикронной толщины. Упорядоченная дуплексная структура с указанным объемным соотношением фазовых доменов (γ+α₂)/γ/В2 обладает более сбалансированными свойствами при высоких температурах по сравнению с прототипом: улучшенной прочностью и высоким сопротивлением ползучести за счет мелкодисперсной ламельной составляющей при осевом нагружении, и одновременно улучшенной пластичностью за счет γ-гранулярной составляющей с «прокладками» из В2-фазы. За счет ограниченной упругой подвижности γ-зерен в среде В2-фазы при высоких температурах, такие области обладают высоким модулем упругости и способствуют релаксации напряжений в основной ламельной структуре, повышая порог критических напряжений деформации материала σ_0.2.