Результат интеллектуальной деятельности: АЛЬФА-БЕТА-ТИТАНОВЫЙ СПЛАВ, ОБЛАДАЮЩИЙ УЛУЧШЕННЫМИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫМИ СВОЙСТВАМИ И СВЕРХПЛАСТИЧНОСТЬЮ

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение в целом относится к титановым сплавам. Более конкретно, это изобретение относится к титановым сплавам, обладающим комбинацией свойств, включающей стойкость к окислению при высоких температурах, жаропрочность и сопротивление ползучести наряду со сверхпластичностью.

Уровень техники

Представленные в данном разделе утверждения обеспечивают лишь дополнительную относящуюся к настоящему раскрытию информацию и могут не составлять известный уровень техники.

Титановые сплавы обычно находят применение в авиационно-космической технике благодаря своим превосходным показателям отношения предела прочности к массе и способности выдерживать высокие температуры. Одним из известных титановых сплавов является Ti-54Μ (“TIMETAL® 54M”), который демонстрирует высокую прочность, хорошую обрабатываемость и превосходные баллистические свойства, в частности, по сравнению с аналогичными характеристиками Ti-64.

Одним из способов, применяемых для получения деталей из титановых сплавов, является сверхпластичное формование. При этом способе титановый сплав деформируется при повышенных температурах с тем, чтобы вызвать течение относительно значительных количеств материала без разрушения. Способность титановых сплавов к течению в условиях таких производственных режимов именуется свойством сверхпластичности.

Оба сплава Ti-54Μ и Ti-64 демонстрируют сверхпластичность при том, что сплав Ti-54Μ показывает сверхпластичность при более низких по сравнению с Ti-64 температурах; последний является наиболее распространенным титановым сплавом, применяемым для сверхпластичного формования. Например, раскрываемые в патенте США №8 551 264 (который принадлежит этому же заявителю и содержание которого во всей его полноте включено в описание посредством ссылки) получаемые способом прокатки листы Ti-54Μ показывают сверхпластичность при таких достаточно низких температурах, как равные 775°C (1427°F), что более чем 100°C ниже температур, применяемых в случае Ti-64. Но, хотя Ti-54Μ показывает превосходную сверхпластичность при более низких температурах, этот сплав не обнаруживает значительных преимуществ перед конкурирующими сплавами в отношении термической стойкости, сопротивления ползучести или стойкости к окислению, которые часто являются желательными для применений при высоких температурах.

Краткое изложение существа изобретения

Настоящее раскрытие в целом относится к высокопрочному альфа-бета-сплаву с улучшенными стойкостью к окислению при высоких температурах, жаропрочностью и сопротивлением ползучести и с увеличенной сверхпластичностью. В одном воплощении такой сплав содержит от около 4,5 мас.% до около 5,5 мас.% алюминия, от около 3,0 мас.% до около 5,0 мас.% ванадия, от около 0,3 мас.% до около 1,8 мас.% молибдена, от около 0,2 мас.% до около 1,2 мас.% железа, от около 0,12 мас.% до около 0,25 мас.% кислорода, от около 0,10 мас.% до около 0,40 мас.% кремния, остальное, представлено титаном и случайными примесями, при том, что содержание каждой из примесей составляет менее около 0,1 мас.%, а в целом количество всех примесей составляет около 0,5 мас.%.

В другом воплощении количество кремния находится в диапазоне от около 0,15 мас.% до около 0,40 мас.%, а в еще одном воплощении содержание кремния составляет между около 0,25 мас.% и около 0,35 мас.%.

Наряду с деталями, получаемыми при использовании раскрываемых здесь сплавов по изобретению, также обеспечиваются способы плавления таких сплавов и образования листов. Например, сплавы по изобретению могут плавиться с применением способа многократного VAR (Vacuum Arc Remelting - вакуумно-дуговой переплав), или индукционной плавки в холодном тигле, или их комбинации. Индукционная плавка в холодном тигле может включать в качестве источника энергии для плавления титановых сплавов либо электронный пучок, либо плазменную дугу. Расплавленные и отлитые слитки металла могут проковываться или прокатываться в слябы способами горячей обработки, а затем подвергаться горячей прокатке в промежуточные пластины. Такие пластины затем могут быть преобразованы в листы горячей прокаткой, сопровождаемой термической обработкой. Листы также могут зачищаться для удаления окалины и альфа-слоя с их поверхностей.

Дальнейшие области их применимости станут очевидными из представленного здесь описания. Следует понимать, что описание и конкретные примеры предназначаются исключительно для иллюстративных целей и не предполагают какого-либо ограничения объема настоящего раскрытия.

Краткое описание чертежей

Представленные здесь чертежи преследуют только цели иллюстрирования и ни в коей мере не предназначаются для какого-либо ограничения объема настоящего изобретения.

Фиг. 1 является графиком, иллюстрирующим эффект воздействия содержания кремния (Si) на характеристики ползучести сплава известного уровня техники Ti-54Μ;

Фиг. 2 отображает график, демонстрирующий снижение приращения массы после окисления в зависимости от увеличения содержания кремния (Si) в сплаве известного уровня техники Ti-54Μ; и

Фиг. 3 представляет график, иллюстрирующий характеристики ползучести сплава по изобретению согласно идее настоящего раскрытия в сопоставлении с этим показателем сравнительного сплава.

Подробное описание изобретения

Следующее далее описание по своему характеру является всего лишь иллюстративным и никоим образом не предназначается для ограничения настоящего изобретения, либо его применения или использования. Следует понимать, что по всему данному описанию соответствующие ссылочные позиции указывают на одинаковые или соответствующие детали и признаки.

Настоящее раскрытие включает альфа-бета-титановый сплав, содержащий от около 4,5 мас.% до около 5,5 мас.% алюминия, от около 3,0 мас.% до около 5,0 мас.% ванадия, от около 0,3 мас.% до около 1,8 мас.% молибдена, от около 0,2 мас.% до около 1,2 мас.% железа, от около 0,12 мас.% до около 0,25 мас.% кислорода, от около 0,10 мас.% до около 0,40 мас.% кремния, остальное состоит из титана и случайных примесей, при этом содержание каждой случайной примеси не превышает около 0,1 мас.%, суммарно составляя, соответственно, около 0,5 мас.%.

Необязательные легирующие элементы могут включать ниобий (Nb), хром (Cr), олово (Sn) и/или цирконий (Zr), содержание которых суммарно составляет менее около 1,0 мас.%.

Далее каждый из легирующих элементов и их важность для достижения требуемых свойств и сверхпластичности описываются более подробно.

Алюминий

Сплав настоящего раскрытия содержит алюминий (Al) в качестве альфа-стабилизатора, а также для регулирования прочностных характеристик и микроструктуры. Контроль микроструктуры желателен с точки зрения обеспечения надлежащей реализации процесса изготовления/производства, поскольку микроструктура тесно связана с такими технологическими параметрами, как температура, деформация, скорость деформации и с их взаимодействием. Когда содержание алюминия составляет менее 4,5 мас.%, эффект закалки на твердый раствор оказывается менее выражен, поэтому желаемой прочности достигнуть не удается. В случае, когда содержание алюминия превышает 5,5 мас.%, температура бета-превращения становится слишком высокой и возрастает сопротивление горячей формуемости, тем самым снижая способность к достижению низкотемпературной сверхпластичности. Соответственно, содержание алюминия настоящего раскрытия находится в диапазоне от около 4,5 мас.% до около 5,5 мас.% с тем, чтобы обеспечить высокую прочность и низкотемпературную сверхпластичность. Упоминаемая здесь «низкотемпературная сверхпластичность» более конкретно определяется как сверхпластичность, достаточная для поддержания желаемых механических свойств при температурах ниже около 815°C (1500°F). Кроме того, «превосходная сверхпластичность», обеспечиваемая раскрываемыми здесь сплавами по изобретению, относится к реализации удлинения более около 1000%.

Ванадий

Ванадий (V) является бета-стабилизатором и применяется для достижения желаемой прочности раскрываемых здесь сплавов по изобретению. Аналогично алюминию ванадий также используется для создания желаемой микроструктуры в целях достижения низкотемпературной сверхпластичности. Если содержание ванадия окажется менее 3,0 мас.%, то достаточная прочность достигнута не будет и не будет получена желаемая объемная доля альфа-бета-фазы, необходимой для реализации сверхпластичности при более низких температурах. Если содержание ванадия превышает 5,0 мас.%, ухудшается стойкость к окислению, а более высокое количество ванадия приводит к увеличению плотности и стоимости материала, что является нежелательным. Также при более высоком содержании ванадия может наблюдаться чрезмерная стабилизация бета-фазы. Микроструктура в этом случае может оказаться не способствующей температурам сверхпластичного формования. Соответственно, содержание ванадия настоящего раскрытия находится в диапазоне от около 3,0 мас.% до около 5,0 мас.% с тем, чтобы обеспечить высокую прочность и низкотемпературную сверхпластичность.

Молибден

Молибден (Мо) выступает в качестве бета-стабилизирующего элемента и эффективен с точки зрения уменьшения размера зерна, что является желательным для обеспечения сверхпластичности. Если содержание молибдена будет менее 0,3 мас.%, то получение достаточной сверхпластичности при низких температурах окажется недостижимым. С другой стороны, если содержание молибдена будет выше 1,8 мас.%, бета-фаза может оказаться чрезмерно стабилизированный, приводя, таким образом, к микроструктуре, неспособной благоприятствовать температурам сверхпластичного формования. Более высокие количества молибдена также будут увеличивать плотность выше целевой величины, составляющей менее около 4,60 г/см³. Соответственно, было определено, что содержание молибдена для настоящего раскрытия должно находиться в диапазоне от около 0,3 мас.% до около 1,8 мас.%.

Железо

Железо (Fe) входит в сплавы по изобретению в связи с тем, что оно действует как сильный эвтектоидный бета-стабилизатор, а его коэффициент диффузии намного выше, чем у других элементов, таких как молибден или ванадий. Соответственно, железо является эффективным элементом с точки зрения достижения сверхпластичности, поскольку благодаря своей чрезвычайно высокой диффузионной способности может содействовать зернограничному проскальзыванию, которое является желательным для низкотемпературной сверхпластичности. При содержании железа менее около 0,2 мас.% достижение достаточной низкотемпературной сверхпластичности оказывается невозможым. Если содержание железа превышает около 1,2 мас.%, возникает риск сегрегации, которая может вызвать появление в конечных продуктах микроструктурного дефекта «beta fleck». Поэтому содержание железа настоящего раскрытия находится в диапазоне от около 0,2 мас.% до около 1,2 мас.%.

Кислород

Кислород (O) является элементом, образующим твердый раствор внедрения, и, подобно алюминию, альфа-стабилизирующим элементом. Помимо этого, кислород представляет собой один из наиболее эффективных элементов для упрочения титановых сплавов. Небольшие количества кислорода упрочняют титан, однако чрезмерное количество кислорода вызывает возникновение хрупкости. Поэтому диапазон содержания кислорода согласно настоящему раскрытию находится в пределах от около 0,12 мас.% до около 0,25 мас.%.

Кремний

Кремний (Si) является элементом, применяемым для обеспечения стойкости против окисления, и предназначаемые для высокотемпературных применений титановые сплавы в целях повышения температурной прочности и сопротивления ползучести часто содержат менее около 0,5 мас.% кремния. Кремний улучшает жаропрочность вследствие эффекта упрочнения твердого раствора и/или дисперсионного упрочнения благодаря образованию тонкодисперсных частиц силицида титана. Если содержание кремния составляет менее около 0,15 мас.%, обеспечение достаточных показателей прочности и сопротивления ползучести оказывается невозможным. Чрезмерное количество кремния может оказать неблагоприятное воздействие на формуемость вследствие образования крупнозернистых силицидов. В этой связи автор данного изобретения обнаружил наличие синергического эффекта в случае, когда содержание кремния в сплаве по изобретению находится в диапазоне от около 0,10 мас.% до около 0,40 мас.%.

Следующие конкретные сплавы представлены в целях иллюстрирования композиции, свойств и применения титановых сплавов, приготовленных согласно идеям настоящего изобретения, и не должны рассматриваться в качестве ограничивающих объем раскрытия. В свете настоящего раскрытия специалистам в данной области будет очевидна возможность внесения некоторых изменений в конкретные сплавы с получением эквивалентов, обеспечивающих сходные или аналогичные результаты, без отступления или без расширения объема и сущности настоящего изобртения.

Были проведены испытания и выполнены сравнения механических свойств титановых сплавов, приготовленных в соответствии с заявляемым композиционным диапазоном, приготовленных вне заявляемого композиционного диапазона, и стандартных сплавов, применяемых в настоящее время или потенциально подходящих для применения. Специалистам в данной области понятно, что любая приводимая здесь информация о свойствах относится к свойствам, параметры которых поддаются измерениям стандартными методиками и могут быть получены множеством различных способов. Описываемые здесь способы представляют один такой способ, но могут применяться и другие способы, не выходя за объем настоящего раскрытия.

Пример 1

Пять (5) лабораторных слитков металла, композиции двух (2) из которых соответствовали сплавам согласно настоящему раскрытию, а три (3) отвечали сплавам со сравнительными композициями, были подвергнуты двойному переплаву до конечного диаметра 200 мм (16 кг каждый), как показано ниже в Таблице 1.

Таблица 1. Химические композиции экспериментальных сплавов

Следует отметить, что плавка № V8496 является сплавом с типичной композицией Ti-54Μ. Слитки нагревались при 1149°C (2100°F) и подвергались ковке в 127 мм (5”) квадратные (SQ) заготовки. Эти заготовки затем были преобразованы в листы с помощью следующих способов:

1) Нагревание при 913°C (1675°F), затем ковка в сляб с размерами 44 мм x 152 мм (1,75” x 6”);

2) Нагревание при 913°C (1675°F) и горячая прокатка в плиту толщиной 19 мм (0,75”);

3) Нагревание при 1066°C (1950°F) в течение 20 минут, сопровождаемое закалкой в воде;

4) Нагревание при 760°C (1400°F) и прокатка до толщины 4,3 мм (0,17”);

5) Нагревание при 760°C (1400°F) и продолжение прокатки до толщины 2,0 мм (0,080”);

6) Термическая обработка при 788°C (1450°F); и

7) Шлифование до 1,3 мм (0,050”).

Были проведены испытания на растяжение при комнатной температуре в продольном и поперечном направлениях всех упомянутых выше образцов согласно ASTM E8 для нестандартных испытательных образцов. Результаты испытаний на растяжение представлены ниже в Таблице 2.

Общая тенденция, как можно видеть из Таблицы 2, указывает на увеличение прочности (YS или UTS) и уменьшение процентного удлинения с увеличением содержания кремния Ti-54Μ. Следует заметить, что при увеличении содержания кремния до 0,422 мас.% происходит заметное возрастание прочности за счет снижения пластичности (удлинения) материала.

Также на всех пяти (5) плавках проводились испытания на ползучесть. Испытания выполнялись на воздухе при 427°C (800°F) и в соответствии с ASTM E139. Все проведенные испытания на ползучесть продолжались достаточно длительное время для установления значимого стационарного режима деформации, который является желательным для определения скорости установившейся ползучести. Результаты испытаний на ползучесть при температуре 427°C (800°F) и напряжении 138 МПа (20 тыс. фунтов/кв. дюйм) показаны ниже в Таблице 3.

Таблица 3. Результаты испытаний экспериментальных сплавов на ползучесть

Температура испытаний: 427°C (800°F)

Напряжение при испытании: 138 МПа (20 тыс.фунтов/кв.дюйм)

Показаны данные по времени для достижения 0,10% или 0,20% деформации ползучести, по показателям деформации ползучести при 25 час, 35 час, 50 час и 100 час испытаний на ползучесть и по скорости ползучести в установившемся режиме для пяти (5) сплавов. Из этих результатов видно, что деформация ползучести в заданный момент времени снижается по мере увеличения содержания кремния вплоть до около 0,3 мас.%, а затем возрастает, когда содержание Si отвечает 0,42 мас.%. Наряду с деформацией ползучести эта тенденция отмечается для любого момента времени и в отношении скорости ползучести.

Были проведены дополнительные испытания на ползучесть при 427°C (800°F) и при напряжении 241 МПа (35 тыс.фунтов/кв.дюйм), результаты которых показаны ниже в Таблице 4.

Таблица 4. Результаты испытаний экспериментальных сплавов на ползучесть

Температура испытаний: 427°C (800°F);

Напряжение при испытании: 241 МПа (35 тыс.фунтов/кв.дюйм).

Представлены данные по времени достижения 0,10% или 0,20% деформации ползучести, показателям деформации ползучести при 25 час, 35 час, 50 час и 100 час испытаний на ползучесть и скорости ползучести в установившемся режиме для всех пяти (5) сплавов. Как и в предыдущих испытаниях на ползучесть, результаты которых отображены в Таблице 3, деформация ползучести в заданный момент времени снижается с увеличением содержания кремния вплоть до около 0,3 мас.%, а затем возрастает, когда содержание Si отвечает 0,42 мас.%. В одном воплощении были получены превосходные показатели сопротивления ползучести со сплавом V8499, в котором содержание Si составляло 0,30 мас.%.

Далее с обращением к фиг. 1 показан эффект влияния содержания кремния на свойства деформации ползучести сплава Ti-54Μ, где дается деформация ползучести для 50 часов и напряжения 138 МПа (20 тыс.фунтов/кв.дюйм) и 241 МПа (35 тыс.фунтов/кв.дюйм) . В любом случае деформация ползучести становится значительно сниженной, когда содержание кремния приблизительно отвечает 0,3 мас.%.

Также были выполнены испытания на окисляемость каждого из пяти (5) сплавов, проводившиеся в отражательной печи в течение 200 час при 1200°F (649°C) и 1400°F (760°C). Было измерено приращение массы после этих испытаний на окисляемость и результаты показаны в Таблице 5:

Таблица 5. Прирост массы после испытаний на окисляемость в течение 200 часов на воздухе

В графической форме результаты испытаний на окисляемость показаны на фиг. 2. Видно, что вызываемое окислением возрастание массы с увеличением содержания Si снижается при обеих температурах. Кроме того, присутствие кремния значительно улучшает стойкость против окисления сплава на основе Ti-54Μ. Также можно видеть, что добавление к сплаву на основе Ti-54Μ кремния в количестве 0,30 мас.%, по-видимому, является желательным условием для обеих температур окисления при том, что за пределами этой величины приращение массы либо увеличивается (1200°F), либо остается тем же самым (1400°F) без сколько-нибудь значительного улучшения.

Пример 2

В этом эксперименте были приготовлены два (2) сплава, один согласно настоящему раскрытию и один сравнительный сплав, как показано ниже в Таблице 6.

Таблица 6. Композиции сплава по изобретению V8124 и сравнительного сплава H12613

Сравнительный сплав был отобран при плавке стандартного листа Ti-54Μ (плавка № H12613), а сплав по изобретению был получен при лабораторной плавке (плавка №V8124). Как показано, сплав по изобретению содержит около 0,30 мас.% кремния.

С помощью лабораторных кузнечного пресса и прокатного стана были получены два листа с различном размером зерна. Материал исходной заготовки проковывался в ходе бета-обработки в сляб с размерами 2” x 6”. Затем сляб подвергался ковке до толщины около 1,0”, сопровождаемой бета-закалкой при 1066°C (1950°F). Для производства листов, имеющих различную зернистость, применялись два различных способа прокатки:

1) (Способ A). Лист с мелкой зернистостью был получен в результате нагревания при 718°C (1325°F) с последующей прокаткой до толщины 0,170”, далее прокаткой в поперечном направлении до толщины 0,080”, сопровождаемой выравниванием последствий деформации ползучести при 732°C (1350°F).

2) (Способ В). Лист со стандартной зернистостью был получен в результате нагревания при 913°C (1675°F) с последующей прокаткой до толщины 0,170”, далее прокаткой в поперечном направлении до толщины 0,080”, сопровождаемой выравниванием последствий деформации ползучести при 871 °C (1600°F).

Испытание на окисление было выполнено на листе, обработанном в соответствии со способом B, так как окисление менее чувствительно к размеру зерна материала. Режим окисления был следующим: температура 649°C (1200°F) и 760°C (1400°F) в камерной печи (в атмосфере воздуха) в течение времени вплоть до 200 час. В печь были помещены образцы листа, полученного плавкой H12613 (Ti-54Μ), для непосредственного сравнения со сплавом по изобретению V8124.

Были выполнены измерения приращения массы, результаты которых показаны в Таблице 7 ниже.

Таблица 7. Приращение массы сравнительного сплава и сплава по изобретению

Эти результаты показывают, что стойкость к окислению сплава по изобретению, измеренная по приращению массы, оказывается значительно лучше, чем у сравнительного сплава.

Также были исследованы свойства деформации ползучести сравнительного сплава (H12613) и сплава по изобретению (V8124). В этом испытании, результаты которого показаны ниже в Таблице 8, использовались мелкозернистые листы, полученные способом A и с размером зерна приблизительно в 2 мкм.

Ясно видно, что сплав по изобретению (V8124) демонстрирует очевидное преимущество в свойствах деформации ползучести перед сравнительным сплавом (H12613).

Более подробно на фиг. 3 показано графическое сравнение показателей сопротивления ползучести сплава по изобретению и сравнительного сплава. Сплав по изобретению в сопоставлении со сравнительным сплавом демонстрирует очень небольшую деформацию ползучести с самого начала испытания на ползучесть, то есть первичную ползучесть, и вплоть до режима установившейся деформации ползучести.

Также были выполнены исследования прочности на растяжение при повышенной температуре с использованием нестандартных образцов для испытаний на растяжение с габаритной длиной 7,6 мм (0,30”). Цель этого испытания состояла в том, чтобы измерить полное удлинение, которое является одним из показателей сверхпластичности, а именно, более высокое удлинение указывает на лучшую сверхпластичность. Результаты этих испытаний представлены ниже в Таблице 9.

Таблица 9. Результаты испытаний прочности на растяжение при повышенных температурах

Видно, что сплав по изобретению (V8124) показывает более 1200% удлинения при 760°C, что считается достаточным для применения при сверхпластичном формовании. Показатели пикового удлинения сплава по изобретению оказываются столь же хороши, как и у Ti-54Μ, а удлинение при 760°C является эквивалентным. Кроме того, максимальное удлинение сплава по изобретению выше, чем у стандартного сплава Ti-6Al-4V. Соответственно, представленные здесь сведения обеспечивают высокопрочный двухфазный титановый сплав с альфа-бета-структурой, обладающий улучшенной стойкостью к окислению при высоких температурах, жаропрочностью и сопротивлением ползучести, а также превосходной сверхпластичностью по сравнению с базовыми сплавами Ti-54Μ (Ti-5Al-4V-0,75Mo-0,5Fe) и Ti-6Al-4V.

Вышеприведенное описание различных воплощений изобретения представляется для целей иллюстрирования и описания. Оно не является исчерпывающим и не предназначается для ограничения изобретения конкретными раскрытыми воплощениями. В свете приведенных выше идей возможно привнесение множества различных модификаций или изменений. Обсужденные воплощения были выбраны и описаны в целях обеспечения иллюстрации принципов изобретения и его практического применения с тем, чтобы предоставить среднему специалисту в данной области возможность применения данного изобретения в различных воплощениях и с различными модификациями, подходящими для предусматриваемого конкретного применения. Все такие модификации и изменения находятся в пределах объема изобретения в том виде, как он ограничивается прилагаемой формулой изобретения, когда интерпретируется в соответствии с широтой, которой наделяется на справедливой, законной и равноправной основе.