RU2520250C1 - Сплав на основе гамма алюминида титана - Google Patents
Сплав на основе гамма алюминида титана Download PDFInfo
- Publication number
- RU2520250C1 RU2520250C1 RU2013111285/02A RU2013111285A RU2520250C1 RU 2520250 C1 RU2520250 C1 RU 2520250C1 RU 2013111285/02 A RU2013111285/02 A RU 2013111285/02A RU 2013111285 A RU2013111285 A RU 2013111285A RU 2520250 C1 RU2520250 C1 RU 2520250C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- alloy
- amount
- phase
- phases
- gamma
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
Abstract
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 γ-TiAl, имеющего плотность при комнатной температуре не более 4,2 г/см3, температуру солидуса не менее 1450°C, количество фаз α2 и γ 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 γ-фазе не менее 3 мас.%, заключается в том, что сплав на основе гамма-алюминида титана γ-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.
Description
Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам на основе гамма-алюминида титана (γ-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 γ-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 γ-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 (α2) 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 (α2) 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 (γ)-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 (α2) и γ 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 γ-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 γ и α2 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 α2+γ. Это позволяет получить достаточно высокий и стабильный комплекс механических свойств при рабочих температурах. При содержании фазы α2 ниже заявленного значения снижается пластичность. При содержании фазы γ 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 γ-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 | |
Количество фаз при TW, мас.% | |
|
|||
№ | Состав, ат.% | α2 | γ | α2 | |||
1 | Ti - 45, 0Al - 1,3 Nb - 1,7 Cr | 600 | 24,7 | 71,2 | 95,9 | 1468 | 3,5 |
700 | 26,3 | 70,5 | 96,8 | 3,5 | |||
800 | 29,0 | 69,4 | 98,4 | 3,6 | |||
2 | Ti - 45, 5Al - 1,6 Nb - 1,3 Cr | 600 | 22,3 | 74,8 | 97,1 | 1475 | 4,2 |
700 | 25,0 | 74,3 | 99,3 | 4,3 | |||
800 | 26,0 | 73,5 | 99,5 | 4,3 | |||
3 | Ti - 45, 3Al - 1,5 Nb - 1,0 Zr | 600 | 27,8 | 72,2 | 100 | 1501 | 4,0 |
700 | 28,3 | 71,7 | 100 | 4,0 | |||
800 | 28,9 | 71,2 | 100 | 3,9 | |||
4 | Ti - 48,0 Al - 2,0 Nb - 2,0 Cr | 600 | 1,1 | 93,7 | 94,8 | 1424 | 5,0 |
700 | 0,7 | 94,5 | 95,2 | 4,9 | |||
800 | 1,1 | 93,7 | 94,8 | 5,0 | |||
5 | Ti - 45, 0Al - 7,5 Nb | 600 | 21,5 | 78,5 | 100 | 1501 | 18,1 |
700 | 21,7 | 78,3 | 100 | 18,0 | |||
800 | 21,8 | 78,2 | 100 | 17,8 | |||
1 - рабочая температура, 2 температура солидуса, 3 концентрация ниобия в фазе γ |
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 (α2) и γ 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 γ-фазе составляет не менее 3 мас.%.
Температура солидуса известного сплава 4 составляет менее 1450°C количество фазы α2 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 2θ 10-110°C шагом 0,1°. Концентрацию ниобия в γ-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 α2+γ (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.% | |
|
α2 | γ | ||
1 | 28,2 | 70,4 | 3,8 |
2 | 26,7 | 74,5 | 4,3 |
3 | 27,6 | 72,3 | 4,1 |
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 (σв), предела текучести (σ0,2) и относительное удлинение (δ). 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 (σв), МПа | Предел текучести (σ0,2), МПа | Относительное удлинение (δ), % |
600 | 725 | 695 | 2,8 |
700 | 735 | 690 | 3,5 |
800 | 730 | 680 | 4,1 |
Claims (2)
1. Способ получения сплава на основе гамма-алюминида титана γ-TiAl, имеющего плотность при комнатной температуре не более 4,2 г/см3, температуру солидуса не менее 1450°C, количество фаз α2 и γ 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 γ-фазе не менее 3 мас.%, заключающийся в том, что сплав на основе гамма-алюминида титана γ-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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013111285/02A RU2520250C1 (ru) | 2013-03-14 | 2013-03-14 | Сплав на основе гамма алюминида титана |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013111285/02A RU2520250C1 (ru) | 2013-03-14 | 2013-03-14 | Сплав на основе гамма алюминида титана |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2520250C1 true RU2520250C1 (ru) | 2014-06-20 |
Family
ID=51216971
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013111285/02A RU2520250C1 (ru) | 2013-03-14 | 2013-03-14 | Сплав на основе гамма алюминида титана |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2520250C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2614354C1 (ru) * | 2016-02-04 | 2017-03-24 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Сплав на основе гамма-алюминида титана |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2066253C1 (ru) * | 1991-05-13 | 1996-09-10 | Асеа Браун Бовери АГ | Способ изготовления турбинных лопаток |
US6524407B1 (en) * | 1997-08-19 | 2003-02-25 | Gkss Forschungszentrum Geesthacht Gmbh | Alloy based on titanium aluminides |
RU2245760C2 (ru) * | 1999-02-09 | 2005-02-10 | Крайзейлис Текнолоджиз Инкорпорейтед | Способ изготовления подвергаемых холодной обработке изделий из металлического сплава (варианты) |
US6923934B2 (en) * | 1999-06-08 | 2005-08-02 | Ishikawajima-Harima Heavy Industries Co., Ltd. | Titanium aluminide, cast made therefrom and method of making the same |
EP2423340A1 (en) * | 2010-08-30 | 2012-02-29 | United Technologies Corporation | Process and system for fabricating gamma tial turbine engine components |
-
2013
- 2013-03-14 RU RU2013111285/02A patent/RU2520250C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2066253C1 (ru) * | 1991-05-13 | 1996-09-10 | Асеа Браун Бовери АГ | Способ изготовления турбинных лопаток |
US6524407B1 (en) * | 1997-08-19 | 2003-02-25 | Gkss Forschungszentrum Geesthacht Gmbh | Alloy based on titanium aluminides |
RU2245760C2 (ru) * | 1999-02-09 | 2005-02-10 | Крайзейлис Текнолоджиз Инкорпорейтед | Способ изготовления подвергаемых холодной обработке изделий из металлического сплава (варианты) |
US6923934B2 (en) * | 1999-06-08 | 2005-08-02 | Ishikawajima-Harima Heavy Industries Co., Ltd. | Titanium aluminide, cast made therefrom and method of making the same |
EP2423340A1 (en) * | 2010-08-30 | 2012-02-29 | United Technologies Corporation | Process and system for fabricating gamma tial turbine engine components |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2614354C1 (ru) * | 2016-02-04 | 2017-03-24 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Сплав на основе гамма-алюминида титана |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Bochenek et al. | Advances in processing of NiAl intermetallic alloys and composites for high temperature aerospace applications | |
JP5696995B2 (ja) | 耐熱超合金 | |
EP2778241B1 (en) | Heat-resistant nickel-based superalloy | |
US11718897B2 (en) | Precipitation hardenable cobalt-nickel base superalloy and article made therefrom | |
US20040011443A1 (en) | Nickel base superalloys and turbine components fabricated therefrom | |
EP2712369B1 (en) | Nickel-titanium alloys and related products | |
Fleischmann et al. | Influence of solid solution hardening on creep properties of single-crystal nickel-based superalloys | |
JPWO2014050698A1 (ja) | 析出強化型マルテンサイト鋼及びその製造方法 | |
Dai Hsu et al. | The effect of aluminum additions on the thermal, microstructural, and mechanical behavior of NiTiHf shape memory alloys | |
CN106498237B (zh) | 一种镍铬钼钨铌铝钛系高温合金材料、制备方法及应用 | |
RU2520250C1 (ru) | Сплав на основе гамма алюминида титана | |
Cui et al. | Microstructure and properties of a beta-solidifying TiAl-based alloy with different refiners | |
RU2631066C1 (ru) | Жаропрочный высокоэнтропийный сплав | |
JP2011236450A (ja) | アニーリングツインを含有するニッケル基耐熱超合金と耐熱超合金部材 | |
JP2012046787A (ja) | 蒸気タービン用鍛造合金、それを用いた蒸気タービンロータ | |
RU2592657C2 (ru) | Жаропрочный сплав на основе титана и изделие, выполненное из него | |
WO2017123186A1 (en) | Tial-based alloys having improved creep strength by strengthening of gamma phase | |
US20170167497A1 (en) | TiAl ALLOY, IN PARTICULAR FOR TURBOCHARGER APPLICATIONS, TURBOCHARGER COMPONENT, TURBOCHARGER AND METHOD FOR PRODUCING THE TiAl ALLOY | |
Conrath et al. | Properties of a HfC-reinforced nickel-based superalloy in creep and oxidation at 1100 C | |
Liu et al. | Quasi-quantitative control of the properties at room temperature and 1000° C of NiAl-based composites prepared by hot press sintering | |
JONŠTA et al. | Microstructural analysis of a cast variant of nickel superalloy Inconel 738LC after high temperature exposition | |
RU2471879C1 (ru) | Жаропрочный и жаростойкий титановый сплав | |
Denquin et al. | Influence of Si and C additions on microstructure and mechanical properties of the Ti-43.5 Al-1Mo-4Nb-0.1 B alloy | |
RU2627304C1 (ru) | Интерметаллидный сплав на основе титана и изделие из него | |
Kollerov et al. | Phase and structural transformations in hydrogenated titanium |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PD4A | Correction of name of patent owner | ||
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200315 |