Результат интеллектуальной деятельности: Интерметаллидный сплав на основе титана и изделие из него

Группа изобретений относится к области цветной металлургии, а именно к интерметаллидным сплавам на основе титана (интерметаллидной О-фазы Ti₂AlNb) и изделиям из него - широкой номенклатуре деформированных полуфабрикатов и деталей (в том числе дисков, колец, корпусов, лопаток, проставок, листов), которые могут быть использованы в силовых конструкциях авиационной и космической техники, энергетических установок, ракет, длительно работающих при температурах до 700°C.

По фазовому составу это двухфазные O+β/В2 или трехфазные O+β/В2+α₂-сплавы. В зависимости от режимов термической обработки сплавы содержат пластичную β/В2-фазу, которая повышает прочностные, пластические и технологические свойства сплавов, и интерметаллидные О-фазу (орто-фаза Ti₂AlNb) и α₂-фазу (Ti₃Al), повышающие жаропрочные свойства.

В металлургии известны примеры легирования сплавов редкоземельными элементами (РЗЭ) - группы из 17 элементов, включающей, лантан, скандий, иттрий и лантаноиды. В отличие от алюминиевых и магниевых сплавов использование РЗЭ для легирования титановых сплавов не является традиционным и практически не используется в серийных титановых сплавах. Применение РЗЭ для титановых сплавов требует проведения дополнительных исследований, так как каждый элемент вносит свой индивидуальный вклад и оказывает особенное действие, встраиваясь в кристаллическую решетку сплава.

Из уровня техники известен жаропрочный интерметаллидный сплав на основе титана, имеющий следующий химический состав, мас. % (ЕР №0924308, опубл. 02.05.2002, C22C 14/00):

Из известного сплава изготавливают элементы конструкций двигателей, работающих при температуре до 650°C.

Недостатками известного сплава, обусловленными содержанием большого количества тугоплавких элементов, являются повышенное окисление (а, следовательно, ограниченный ресурс и необходимость применения защитных покрытий) и высокая плотность получаемых из него деталей.

Известен сплав на основе титана, имеющий следующий химический состав, мас. % (RU №2210612, опубл. 20.08.2003, C22C 14/00):

Высокие пластические свойства сплава при комнатной температуре позволяют изготавливать из него различные деформированные полуфабрикаты, в том числе листы и фольгу.

Недостатками сплава являются низкие значения прочностных и жаропрочных свойств, а также ограничение рабочей температуры сплава 650°C, что связано с низким содержанием «бета»-стабилизирующих упрочняющих элементов.

Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является интерметаллидный сплав на основе титана, имеющий следующий химический состав, мас. % (RU №2405849, опубл. 10.12.2010, С22С 14/00):

Также известно изделие, выполненное из вышеуказанного интерметаллидного сплава на основе титана.

Сплав, известный из прототипа, относится к интерметаллидным сплавам на основе титана. Он предназначен для изготовления полуфабрикатов и деталей компрессора газотурбинного двигателя и обладает повышенной жаростойкостью при температурах до 700°C.

Недостатками известного сплава и изделия из него являются недостаточная пластичность при комнатной температуре и низкие значения жаропрочных свойств при рабочих температурах.

Технической задачей группы изобретений является создание интерметаллидного сплава на основе титана (интерметаллидной О-фазы Ti₂AlNb), легированного редкоземельными элементами (РЗЭ), обладающего повышенными пластическими и жаропрочными свойствами при температурах 650°C и 700°C, и предназначенного для изготовления полуфабрикатов широкого сортамента (дисков, колец, корпусов, лопаток, проставок, листов, плит, прутков, поковок, штамповок) и сложнопрофильных конструкций, в том числе имеющих сложную геометрию.

Техническим результатом заявленных изобретений является повышение пластических свойств при комнатной температуре (относительного удлинения) и жаропрочных характеристик при температурах до 700°C.

Поставленный технический результат достигается тем, что интерметаллидный сплав на основе титана, включающий алюминий, ниобий, молибден, цирконий, вольфрам, тантал, кремний, дополнительно содержит ванадий и иттрий при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Предпочтительно суммарное содержание вольфрама и молибдена составляет 1,0-2,5 мас. %.

Поставленный технический результат достигается также тем, что изделие из интерметаллидного сплава на основе титана выполнено из заявленного сплава.

Было установлено, что дополнительное увеличение содержания «бета»-стабилизирующих элементов молибдена и вольфрама в сплаве за счет твердофазного упрочнения и стабилизации фазового состава обеспечивает повышение жаропрочных характеристик при рабочих температурах. Увеличение содержания тугоплавких элементов молибдена и вольфрама компенсируется снижением содержания тантала, что позволяет обеспечить сохранение плотности сплава и весовых характеристик деталей (удельную прочность).

Повышенное содержание алюминия (до 12,5 мас. %) и ниобия (до 42,0 мас. %) обеспечивает в процессе термомеханической обработки образование интерметаллидных фаз: О-фаза (орто-фаза Ti₂AlNb) и α₂-фаза (Ti₃Al), которые повышают жаропрочные свойства, но негативно влияют на пластичность. Интерметаллидная орто-фаза (Ti₂AlNb) имеет упорядоченную орторомбическую решетку (тип Cmnn) с параметрами: a=0,6125 нм, b=0,955 нм, c=0,467 нм, в которой некоторые узлы, занятые атомами титана в решетке алюминида Ti₃Al, замещены атомами ниобия. Интерметаллидная α₂-фаза (Ti₃Al) является упорядоченной фазой со сверхструктурной решеткой типа DO₁₉. Увеличение содержания алюминия выше установленного интервала (10,5-12,5 мас. %) приводит к резкому снижению пластических свойств за счет повышения количества интерметаллидной α₂-фазы.

Введение циркония приводит к повышению кратковременной прочности. Также на повышение прочностных свойств оказывает влияние добавление кремния, который может образовывать силициды.

Отсутствие в сплаве по сравнению с прототипом углерода позволяет повысить пластические свойства при комнатной температуре за счет исключения из фазового состава дисперсных частиц карбидов.

Также на повышение пластических и низкотемпературных прочностных свойств влияет введение в сплав ванадия, являющегося «бета»-стабилизирующим элементом. Увеличение содержания ванадия до 2,0 мас. % способствует дополнительному образованию (увеличению объемной доли) пластичной β-фазы с ОЦК решеткой, которая и обеспечивает сплаву достаточно высокий уровень пластических свойств.

Также было установлено, что введение в интерметаллидный титановый сплав иттрия, благодаря его хорошему сродству к кислороду обеспечивает сочетание высоких пластических (за счет освобождения границ зерен от вредных примесей) и жаропрочных свойств (за счет дисперсионного упрочнения частицами оксидов - частицы оксидов препятствуют росту зерен). Максимально допустимое содержания иттрия до 0,6 мас. % обусловлено тем, что превышение указанного значения приводит к негативному снижению пластических свойств в связи с возросшим количеством дисперсных частиц оксидов, которые препятствуют движению дислокаций и пластической деформации.

Для достижения высокого комплекса свойств интерметаллидного сплава на основе титана (интерметаллидной О-фазы Ti₂AlNb) проводится упрочняющая термическая обработка, которая включает две ступени. Микроструктура после термической обработки представлена дисперсными частицами интерметаллидной α₂-фазы и оксидов гадолиния внутри первичных β-зерен и тонкопластинчатыми выделениями интерметаллидной О-фазы. Данная микроструктура обеспечивает сочетание высокого уровня жаропрочных свойств и хорошей пластичности при комнатной температуре интерметаллидного сплава.

Ниже приведены примеры осуществления заявленных изобретений. Слитки предлагаемого сплава изготавливали методом вакуумно-дугового переплава с использованием прессованных расходуемых электродов.

В таблице 1 (фиг.) приведены характеристики вариантов составов предлагаемого сплава (№1-3) и сплава, известного из прототипа (№4).

Деформационная обработка обточенных слитков проводилась на прессе в квази-изотермических условиях и включала: осадку, всестороннюю ковку, вытяжку и заключительную осадку заготовки в плиту. Осаженные плиты механически обрабатывали по всем поверхностям до удаления видимых дефектов, после чего проводилась прокатка плит на толщину 18 мм.

Для обеспечения уровня механических свойств катаные плиты подвергали двухступенчатому режиму термической обработки. Окончательную термическую обработку проводили в трехфазной (O+β+α₂) - области. Для определения механических свойств термически обработанные плиты были разрезаны на заготовки, из которых были изготовлены образцы. Свойства предлагаемого сплава (№1-3) и сплава, известного из прототипа (№4), представлены в таблице 1.

Как видно из таблицы 1, предлагаемый сплав превосходит сплав-прототип: по относительному удлинению при температуре 20°C - на 12-30%, по пределу прочности при температуре 650°C - на 2-5%.

Использование предлагаемого интерметаллидного сплава на основе титана позволяет изготавливать детали различного сортамента (диски, кольца, корпуса, лопатки, проставки, листы, плиты, прутки, поковки, штамповки), в том числе лопатки сложной геометрии, что позволяет снизить их вес за счет более высокого уровня прочности и повысить ресурс деталей по сравнению с традиционно применяемыми титановыми сплавами.