RU2586947C1 - Titanium-based alloy and article made therefrom - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to metallurgy, namely to intermetallic titanium-based alloys intended for production of parts of gas turbine engine such as blades, discs, housing and spacers, operating at high temperatures. Ti based alloy contains in % by weight: Al 9.5-12.0, Nb 38.0-42.0, Zr 1.5-2.5, Ta 0.7-1.5, W 0.5-1.0, Mo 0.3-0.6, Si 0.1-0.25, Re 0.1-0.5, C 0.03-0.08, B 0.01-0.1, Ti and admixtures are rest. Alloy is characterised by high resistance to oxidation at temperatures higher than 700 °C.

EFFECT: reliable operation of structure made using titanium-based alloy for whole service life.

6 cl, 2 tbl, 4 ex

Description

Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно к интерметаллидным сплавам на основе титана, предназначенным для изготовления деталей газотурбинного двигателя таких, как лопатки, диски, корпуса и проставки, работающие при повышенных температурах.The invention relates to the field of non-ferrous metallurgy, in particular to titanium-based intermetallic alloys intended for the manufacture of gas turbine engine parts such as blades, disks, housings and spacers operating at elevated temperatures.

Известен интерметаллидный сплав на основе титана (ЕР 0924308 А1, 23.06.1999, С22С 14/00), имеющий следующий химический состав, мас.%:Known intermetallic alloy based on titanium (EP 0924308 A1, 06.23.1999, C22C 14/00), having the following chemical composition, wt.%:

AlAl 16-2616-26 NbNb 18-2818-28 ТаThat 0-20-2 МоMo 0-20-2 ZrZr 0-20-2 SiSi 0-0,80-0.8 TiTi остальноеrest

Сплав имеет невысокие значения удельной прочности при комнатной температуре и удельной жаропрочности (кратковременной и длительной прочности за 100 ч) из-за повышенной плотности. Элементы конструкции, изготовленные из известного сплава, имеют повышенное окисление, что приводит к ограничению ресурса работы детали.The alloy has low values of specific strength at room temperature and specific heat resistance (short-term and long-term strength for 100 hours) due to the increased density. Structural elements made of a known alloy have increased oxidation, which leads to a limited life of the part.

Известен интерметаллидный сплав на основе титана (RU 2210612 С2, 20.08.2003, С22С 14/00), имеющий следующий химический состав, мас.%:Known intermetallic alloy based on titanium (RU 2210612 C2, 08/20/2003, C22C 14/00), having the following chemical composition, wt.%:

AlAl 10,0-12,010.0-12.0 NbNb 38,0-42,038.0-42.0 VV 1,0-1,51.0-1.5 Мо 0,5-1,0Mo 0.5-1.0   ZrZr 1,0-1,51.0-1.5 SiSi 0,1-0,250.1-0.25 СFROM 0,03-0,080.03-0.08 TiTi остальноеrest

Сплав имеет недостаточно высокие значения удельной жаропрочности - кратковременной и длительной прочности за 100 ч, сопротивления ползучести, а также обладает пониженной стойкостью к окислению в воздушной среде при температурах выше 650°С.The alloy has not enough high values of specific heat resistance - short-term and long-term strength for 100 h, creep resistance, and also has a low resistance to oxidation in air at temperatures above 650 ° C.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является интерметаллидный сплав на основе титана (RU 2405849 C1, 10.12.2010, С22С 14/00), имеющий следующий химический состав, мас.%:The closest analogue taken as a prototype is an intermetallic alloy based on titanium (RU 2405849 C1, 12/10/2010, C22C 14/00), having the following chemical composition, wt.%:

AlAl 10,5-12,510.5-12.5 NbNb 38,0-42,038.0-42.0 VV 1,0-1,51.0-1.5 MoMo 0,3-0,60.3-0.6 ZrZr 1,5-2,51.5-2.5 SiSi 0,1-0,250.1-0.25 СFROM 0,03-0,080.03-0.08 WW 0,5-1,00.5-1.0 TaTa 0,7-1,50.7-1.5 TiTi остальноеrest

Сплав имеет хорошие значения удельной жаропрочности (кратковременной и длительной прочности за 100 ч), но пониженные характеристики жаростойкости при температурах выше 700°С.The alloy has good values of specific heat resistance (short-term and long-term strength for 100 h), but reduced characteristics of heat resistance at temperatures above 700 ° C.

Технической задачей изобретения является разработка интерметаллидного сплава на основе титана с повышенными характеристиками жаростойкости.An object of the invention is the development of an intermetallic alloy based on titanium with improved heat resistance characteristics.

Техническим результатом является повышенная стойкость к окислению при температурах выше 700°С.The technical result is increased resistance to oxidation at temperatures above 700 ° C.

Для достижения поставленного технического результата предложен сплав на основе титана, содержащий алюминий, ниобий, цирконий, тантал, вольфрам, молибден, кремний, углерод, отличающийся тем, что дополнительно содержит рений и бор при следующем соотношении компонентов, мас.%:To achieve the technical result, an alloy based on titanium containing aluminum, niobium, zirconium, tantalum, tungsten, molybdenum, silicon, carbon, characterized in that it additionally contains rhenium and boron in the following ratio of components, wt.%:

AlAl 9,5-12,09.5-12.0 NbNb 38,0-42,038.0-42.0 ZrZr 1,5-2,51.5-2.5 ТаThat 0,7-1,50.7-1.5 WW 0,5-1,00.5-1.0 MoMo 0,3-0,60.3-0.6 SiSi 0,1-0,250.1-0.25 ReRe 0,1-0,50.1-0.5 СFROM 0,03-0,080.03-0.08 ВAT 0,01-0,10.01-0.1 Ti и примесиTi and impurities остальноеrest

Предпочтительно, содержание меди составляет ≤0,07.Preferably, the copper content is ≤0.07.

Предпочтительно, содержание железа составляет ≤0,03.Preferably, the iron content is ≤0.03.

Предпочтительно, содержание хрома составляет ≤0,02.Preferably, the chromium content is ≤0.02.

Предпочтительно, сумма примесей составляет ≤0,12.Preferably, the sum of the impurities is ≤0.12.

Изделия из предлагаемого сплава способны длительно работать в воздушной среде при температурах до 750°С.Products from the proposed alloy are able to work for a long time in air at temperatures up to 750 ° C.

Авторами установлено, что уменьшение содержания алюминия, исключение из сплавов элемента ванадий и дополнительное введение рения и бора в сплав-прототип, при заявленном соотношении и содержании компонентов, повышает характеристики жаростойкости сплавов. Это осуществляется за счет следующих факторов:The authors found that a decrease in the aluminum content, the exclusion of vanadium from the alloys and the additional introduction of rhenium and boron into the prototype alloy, with the stated ratio and content of components, increase the heat resistance characteristics of the alloys. This is due to the following factors:

- формирования на поверхности сплава слоев из смешанных оксидов Ti₃O₅, (Ti,Al,В)О₃ и (Nb,Ta)₂O₅ блокирующих проникновение кислорода к поверхности раздела газ - металл;- the formation on the surface of the alloy of layers of mixed oxides Ti ₃ O ₅ , (Ti, Al, B) O ₃ and (Nb, Ta) ₂ O ₅ blocking the penetration of oxygen to the gas-metal interface;

- сохранение до температуры 750°С упорядоченных твердых растворов титана с элементами - Nb, Mo, W, Та и Re, которые снижают коэффициенты диффузии кислорода в матрице, затрудняя образование оксидных фаз.- preservation to a temperature of 750 ° C of ordered solid titanium solutions with elements - Nb, Mo, W, Ta and Re, which reduce the diffusion coefficients of oxygen in the matrix, making it difficult to form oxide phases.

Для получения повышенных характеристик жаростойкости необходимо ограничить содержание элементов - Cu, Fe и Cr, которые ускоряют диффузию кислорода по межфазным границам в структуре сплавов, снижают температурную границу существования упорядоченных твердых растворов, тем самым вызывая образование пористых оксидных слоев и повышенную окисляемость сплавов.To obtain improved heat resistance characteristics, it is necessary to limit the content of elements - Cu, Fe, and Cr, which accelerate the diffusion of oxygen at the interphase boundaries in the alloy structure, reduce the temperature boundary of the existence of ordered solid solutions, thereby causing the formation of porous oxide layers and increased oxidation of the alloys.

Примеры осуществленияExamples of implementation

Слитки предлагаемых сплавов изготавливали по технологии производства титановых сплавов. Использовались серийные шихтовые материалы - титановая губка, лигатуры Al-Me, где Me - тугоплавкие легирующие элементы, бор и кремний. Изготовление слитков сплавов состояло из получения расходуемого электрода, выплавки слитков вакуумно-дуговым переплавом, механическую обработку слитков. Литые заготовки подвергались горячей обработке давлением с целью получения полуфабрикатов с однородной структурой. Полуфабрикаты разрезались на заготовки образцов и подвергались термической обработке для получения оптимального фазового состава и структуры. Из полученных заготовок изготавливались образцы для испытаний. Готовые образцы имели чистоту обработанной поверхности не менее R_z=3,2.The ingots of the proposed alloys were made according to the production technology of titanium alloys. Serial charge materials were used - titanium sponge, Al-Me ligatures, where Me - refractory alloying elements, boron and silicon. The manufacture of alloy ingots consisted of producing a consumable electrode, smelting the ingots by vacuum-arc remelting, and machining the ingots. Cast billets were subjected to hot pressure treatment in order to obtain semi-finished products with a uniform structure. Semi-finished products were cut into sample blanks and subjected to heat treatment to obtain the optimal phase composition and structure. Test samples were made from the obtained blanks. Finished samples had a surface finish of at least R _z = 3.2.

Испытания на жаростойкость проводились в соответствии с ГОСТ 6130-71 с использованием цилиндрических образцов диаметром 15 мм и высотой 20 мм. Нагрев образцов проводился в печах электросопротивления в атмосфере воздуха с влажностью 55-60%. Жаростойкость сплавов оценивали по привесу образцов Δm/s (г/м²) при температурах 700 и 750°С и выдержке 100 ч с периодическим взвешиванием испытуемых образцов через каждые 25 ч.Heat resistance tests were carried out in accordance with GOST 6130-71 using cylindrical samples with a diameter of 15 mm and a height of 20 mm. The samples were heated in electric resistance furnaces in an air atmosphere with a humidity of 55-60%. The heat resistance of the alloys was evaluated by the weight gain of the samples Δm / s (g / m ² ) at temperatures of 700 and 750 ° C and a holding time of 100 hours with periodic weighing of the tested samples every 25 hours.

Составы предлагаемого сплава №1-3 и сплава-прототипа №4 приведены в таблице 1.The compositions of the proposed alloy No. 1-3 and alloy prototype No. 4 are shown in table 1.

В таблице 2 приведены характеристики жаростойкости предлагаемых сплавов №1-3 и сплава-прототипа №4.Table 2 shows the heat resistance characteristics of the proposed alloys No. 1-3 and prototype alloy No. 4.

Как видно из таблицы 2, предлагаемый сплав превосходит сплав-прототип по жаростойкости при температуре 700°С на 14,7% и при температуре 750°С на 36,0%.As can be seen from table 2, the proposed alloy exceeds the prototype alloy in heat resistance at a temperature of 700 ° C by 14.7% and at a temperature of 750 ° C by 36.0%.

Использование предлагаемого сплава в качестве жаростойкого материала позволит обеспечить надежную работу конструкции в течение всего ресурса.Using the proposed alloy as a heat-resistant material will ensure reliable operation of the structure throughout the life of the resource.

Claims (6)

1. Сплав на основе титана, содержащий алюминий, ниобий, цирконий, тантал, вольфрам, молибден, кремний и углерод, отличающийся тем, что он дополнительно содержит рений и бор при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Al 9,5-12,0 Nb 38,0-42,0 Zr 1,5-2,5 Та 0,7-1,5 W 0,5-1,0 Mo 0,3-0,6 Si 0,1-0,25 Re 0,1-0,5 С 0,03-0,08 В 0,01-0,1 Ti и примеси остальное 1. An alloy based on titanium containing aluminum, niobium, zirconium, tantalum, tungsten, molybdenum, silicon and carbon, characterized in that it additionally contains rhenium and boron in the following ratio of components, wt.%:
Al 9.5-12.0 Nb 38.0-42.0 Zr 1.5-2.5 That 0.7-1.5 W 0.5-1.0 Mo 0.3-0.6 Si 0.1-0.25 Re 0.1-0.5 FROM 0.03-0.08 AT 0.01-0.1 Ti and impurities rest 2. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит медь ≤0,07 мас.%.2. The alloy according to claim 1, characterized in that it additionally contains copper ≤0.07 wt.%. 3. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит железо ≤0,03 мас.%.3. The alloy according to claim 1, characterized in that it additionally contains iron ≤0.03 wt.%. 4. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит хром ≤0,02 мас.%.4. The alloy according to claim 1, characterized in that it additionally contains chromium ≤0.02 wt.%. 5. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что суммарное содержание примесей составляет ≤0,12 мас.%.5. The alloy according to claim 1, characterized in that the total content of impurities is ≤0.12 wt.%. 6. Изделие из сплава на основе титана, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п. 1. 6. A product of an alloy based on titanium, characterized in that it is made of an alloy according to claim 1.