сплав на основе гамма алюминида титана

Формула изобретения

1. Способ получения сплава на основе гамма-алюминида титана -TiAl, имеющего плотность при комнатной температуре не более 4,2 г/см³, температуру солидуса не менее 1450°C, количество фаз ₂ и 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 -фазе не менее 3 мас.%, заключающийся в том, что сплав на основе гамма-алюминида титана -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.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам на основе гамма-алюминида титана ( -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 -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 -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 ( ₂) 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 ( ₂) 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 ( )-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 ( ₂) и 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 -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 и ₂ 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 ₂+ . Это позволяет получить достаточно высокий и стабильный комплекс механических свойств при рабочих температурах. При содержании фазы ₂ ниже заявленного значения снижается пластичность. При содержании фазы 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 -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		, °C	Количество фаз при TW, мас.%			, °C	, мас.%
№	Состав, ат.%		2		2
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

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 ( ₂) и 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 -фазе составляет не менее 3 мас.%.

Температура солидуса известного сплава 4 составляет менее 1450°C количество фазы ₂ 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 2 10-110°C шагом 0,1°. Концентрацию ниобия в -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 ₂+ (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.%		, мас.%
	2
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 ( _в), предела текучести ( _0,2) и относительное удлинение ( ). 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 ( в), МПа	Предел текучести ( 0,2), МПа	Относительное удлинение ( ), %
600	725	695	2,8
700	735	690	3,5
800	730	680	4,1