RU2471879C1 - Heatproof titanium alloy - Google Patents
Heatproof titanium alloy Download PDFInfo
- Publication number
- RU2471879C1 RU2471879C1 RU2011150852/02A RU2011150852A RU2471879C1 RU 2471879 C1 RU2471879 C1 RU 2471879C1 RU 2011150852/02 A RU2011150852/02 A RU 2011150852/02A RU 2011150852 A RU2011150852 A RU 2011150852A RU 2471879 C1 RU2471879 C1 RU 2471879C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- alloy
- titanium
- heat
- resistant
- titanium alloy
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к области металлургии титановых сплавов и может быть использовано для изготовления деталей узлов ракетных двигателей, работающих в условиях высоких нагрузок при температурах до 800°С, в том числе длительное время.The invention relates to the field of metallurgy of titanium alloys and can be used for the manufacture of parts of rocket engine assemblies operating under high loads at temperatures up to 800 ° C, including a long time.
При использовании сплавов в указанных конструкциях следует учитывать следующие обязательные требования:When using alloys in these structures, the following mandatory requirements should be considered:
- сплавы должны обладать достаточно стабильным фазовым составом, исключающим возможность охрупчивания в процессе длительного нагружения и обеспечивать высокую прочность и сопротивление ползучести при рабочих температурах;- alloys should have a fairly stable phase composition, eliminating the possibility of embrittlement during prolonged loading and provide high strength and creep resistance at operating temperatures;
- сплавы должны обладать высокой жаростойкостью, обеспечивающей исключение проникающего окисления в процессе долговременной эксплуатации, при рабочих температурах.- alloys must have high heat resistance, ensuring the exclusion of penetrating oxidation during long-term operation, at operating temperatures.
Из уровня техники известен деформированный жаропрочный сертифицированный титановый сплав ВТ18У (Ильин А.А., Колачев Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства. Справочник. - М.: ВИЛС-МАТИ, 2009 г., с.66, 74 [1]), применяемый в авиационной промышленности для лопаток, дисков компрессоров двигателей, имеющий следующий химический состав, мас.%:The prior art known deformed heat-resistant certified titanium alloy VT18U (Ilyin A.A., Kolachev B.A., Polkin I.S. Titanium alloys. Composition, structure, properties. Reference book. - M .: VILS-MATI, 2009. , p.66, 74 [1]) used in the aviation industry for blades, disks of engine compressors, having the following chemical composition, wt.%:
Однако сплав на основе α-фазы (псевдо α-сплав) работоспособен до температуры 600°С и кратковременно до 650°С. Существенным недостатком сплава является его термическая нестабильность в процессе длительной эксплуатации; довольно низкая технологичность при горячей деформации из-за достаточно высокого содержания алюминия в сочетании с оловом и низкая жаростойкость: сплав интенсивно окисляется при нагреве выше 600°С.However, an α-phase-based alloy (pseudo α-alloy) is operational up to a temperature of 600 ° C and for a short time up to 650 ° C. A significant drawback of the alloy is its thermal instability during long-term operation; rather low processability during hot deformation due to a rather high aluminum content in combination with tin and low heat resistance: the alloy is intensively oxidized when heated above 600 ° C.
Известен титановый сплав (патент RU 2405849 C1, C22C 14/00, 10.12.2010 [2]), имеющий следующий химический состав, масс.%:Known titanium alloy (patent RU 2405849 C1, C22C 14/00, 12/10/2010 [2]), having the following chemical composition, wt.%:
Исходя из наличия в сплаве большого количества алюминия, его следует отнести к двухфазным α+α2 (Ti3Al)-сплавам с небольшим содержанием дополнительно β-фазы (из-за высокого содержания β-стабилизаторов Nb, Mo, Та, W). Это обстоятельство позволяет утверждать, что сплав не может быть термически стабильным по фазовому составу в процессе окисления при высоких температурах и будет охрупчиваться. Другим недостатком сплава является низкая технологическая пластичность при горячей деформации, что обуславливает возможность использования сплава только в литом состоянии или возможно в виде гранул с последующим газостатированием, что экономически представляется невыгодным. И, наконец, сплав является недостаточно жаростойким: интенсивно окисляется при температурах выше 700°С.Based on the presence of a large amount of aluminum in the alloy, it should be attributed to two-phase α + α 2 (Ti 3 Al) alloys with a small content of an additional β phase (due to the high content of β stabilizers Nb, Mo, Ta, W). This circumstance allows us to state that the alloy cannot be thermally stable in phase composition during oxidation at high temperatures and will be brittle. Another disadvantage of the alloy is the low technological ductility during hot deformation, which makes it possible to use the alloy only in the cast state or possibly in the form of granules with subsequent gas conditioning, which is economically disadvantageous. And, finally, the alloy is not sufficiently heat-resistant: it is intensively oxidized at temperatures above 700 ° C.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является жаропрочный титановый сплав (патент RU 2396366 C1, C22C 14/00, 10.08.2010, [3]) характеризующийся следующим химическим составом, мас.%:The closest analogue (prototype) is a heat-resistant titanium alloy (patent RU 2396366 C1, C22C 14/00, 08/10/2010, [3]) characterized by the following chemical composition, wt.%:
Сплав использовался в турбонасосных агрегатах жидкостных ракетных двигателей в виде роторов, работающих кратковременно при температурах 750-800°С. Недостатками указанного сплава являются невозможность его использования при температуре 800°С длительное время и значительное окисление при температуре выше 780°С.The alloy was used in turbopump units of liquid rocket engines in the form of rotors operating for a short time at temperatures of 750-800 ° C. The disadvantages of this alloy are the inability to use it at a temperature of 800 ° C for a long time and significant oxidation at temperatures above 780 ° C.
Задачей предлагаемого изобретения является создание технологичного высокожаропрочного и жаростойкого титанового сплава, работающего при температурах до 800°С при длительном нагружении.The objective of the invention is the creation of high-tech high-temperature and heat-resistant titanium alloy, operating at temperatures up to 800 ° C under continuous loading.
Технический результат - улучшение весовых характеристик сплава, обеспечение надежности работы титановых деталей - изделий при температурах до 800°С в течение длительного времени, обеспечение высокой прочности и сопротивления ползучести при отсутствии охрупчивания в процессе работы.The technical result is an improvement in the weight characteristics of the alloy, ensuring the reliability of titanium parts - products at temperatures up to 800 ° C for a long time, providing high strength and creep resistance in the absence of embrittlement during operation.
Поставленная задача достигается тем, что жаропрочный и жаростойкий титановый сплав, содержащий алюминий, цирконий, вольфрам, гафний, титан, дополнительно делегирован танталом при следующем соотношении компонентов, мас.%:The problem is achieved in that the heat-resistant and heat-resistant titanium alloy containing aluminum, zirconium, tungsten, hafnium, titanium is additionally delegated by tantalum in the following ratio of components, wt.%:
Данное увеличение содержания гафния и введение тантала в сплав позволяет повысить жаропрочность сплава за счет того, что оба эти элемента значительно более тугоплавки, чем титан, и, следовательно, имеют более высокий уровень межатомных связей, что позволит снизить диффузионную подвижность атомов при высоких температурах. Одновременно указанные количества гафния и тантала должны заметно повысить сопротивление окислению титанового сплава при температурах эксплуатации. С той же целью повышены нижние пределы содержания в сплаве алюминия и вольфрама до 6,0% мас.This increase in the hafnium content and the introduction of tantalum into the alloy makes it possible to increase the heat resistance of the alloy due to the fact that both of these elements are significantly more refractory than titanium and, therefore, have a higher level of interatomic bonds, which will reduce the diffusion mobility of atoms at high temperatures. At the same time, the indicated amounts of hafnium and tantalum should significantly increase the oxidation resistance of the titanium alloy at operating temperatures. For the same purpose, the lower limits of the content of aluminum and tungsten in the alloy were increased to 6.0 wt%.
Следует также отметить, что гафний и тантал, являясь по отношению к титану нейтральным упрочнителем и β-изоморфным элементом соответственно должны стабилизировать фазовое постоянство сплава и повысить тем самым его технологическую пластичность как при комнатой, так и при повышенных температурах, что очень важно для титановых сплавов с высоким содержанием алюминия.It should also be noted that hafnium and tantalum, being a neutral hardener with respect to titanium and a β-isomorphic element, respectively, should stabilize the phase constancy of the alloy and thereby increase its technological plasticity both at room and at elevated temperatures, which is very important for titanium alloys high in aluminum.
Цирконий представляет собой существенный компонент титанового сплава по настоящему изобретению, и в этом титановом сплаве содержится в количестве 3,0-5,0% по массе по той причине, что когда его содержание составляет менее чем 3,0% по массе, то нельзя получить удовлетворительный эффект подавления поглощения водорода, а когда его содержание составляет более чем 5,0% по массе, то может ухудшиться такая характеристика, как легковесность (низкая плотность).Zirconium is an essential component of the titanium alloy of the present invention, and this titanium alloy contains in an amount of 3.0-5.0% by weight for the reason that when its content is less than 3.0% by weight, it is impossible to obtain a satisfactory effect of suppressing the absorption of hydrogen, and when its content is more than 5.0% by weight, such a characteristic as lightness (low density) may deteriorate.
По номенклатуре и содержанию легирующих элементов предлагаемый сплав следует отнести к псевдо α-сплавам титана мартенситного типа (небольшое количество (β-фазы).According to the nomenclature and content of alloying elements, the proposed alloy should be classified as martensitic type pseudo α-alloys (a small amount (β-phase).
Сплав может выплавляться по общепринятой для серийных титановых сплавов технологии с использованием лигатур и чистых легирующих элементов методом тройного переплава в вакуумно-дуговых печах, в том числе и гарнисажных.The alloy can be melted according to the technology generally accepted for serial titanium alloys using ligatures and pure alloying elements by the triple remelting method in vacuum arc furnaces, including skull furnaces.
Для экспериментальной проверки заявляемого состава методом тройного переплава в вакуумно-дуговой печи были выплавлены несколько композиций сплава в виде слитков, из которых свободной ковкой были изготовлены прутки ⌀16 мм, прошедшие затем отжиг при температуре 800°С в течение 1 часа с последующим охлаждением на воздухе.For experimental verification of the claimed composition by triple remelting in a vacuum arc furnace, several alloy compositions were smelted in the form of ingots, from which ⌀16 mm rods were made by free forging, then annealed at 800 ° C for 1 hour, followed by cooling in air .
Из прутков были изготовлены образцы для механических испытаний при комнатной и повышенной температурах, а также для оценки жаростойкости на дериватографе по максимальной температуре, до которой не наблюдалось окисления металла (по привесу).Samples were made from rods for mechanical tests at room and elevated temperatures, as well as for evaluating heat resistance on a derivatograph at the maximum temperature to which no metal oxidation was observed (by weight gain).
В таблице 1 представлены результаты проведенных испытаний на растяжение, ударный изгиб, длительную прочность, ползучесть и жаростойкость разработанной композиции, с различным уровнем легирования, в том числе более низким и более высоким, чем в заявленном. Для сравнения приведены свойства сплава-прототипа.Table 1 presents the results of tensile tests, impact bending, long-term strength, creep and heat resistance of the developed composition, with different levels of alloying, including lower and higher than stated. For comparison, the properties of the prototype alloy are given.
Из таблицы 1 следует, что жаропрочный и жаростойкий сплав предлагаемого состава (3-5) заметно превосходит известный титановый сплав (прототип) по уровню прочностных и жаропрочных характеристик при комнатной и повышенной температурах. Максимальная температура нагрева без окисления 860-920°С. Одновременно сплав отличается достаточно высокой пластичностью и вязкостью, что гарантирует успешную его работоспособность в высоконагруженных конструкциях.From table 1 it follows that the heat-resistant and heat-resistant alloy of the proposed composition (3-5) significantly exceeds the known titanium alloy (prototype) in terms of strength and heat-resistant characteristics at room and elevated temperatures. The maximum heating temperature without oxidation is 860-920 ° C. At the same time, the alloy is distinguished by a sufficiently high ductility and toughness, which guarantees its successful operation in highly loaded structures.
Кроме этого, основываясь на опыте использования в конструкциях титановых сплавов подобного фазового состава и уровня легирования, можно заключить, что заявляемый титановый сплав может свариваться, что ставит его в ряд технологичных титановых сплавов широкого применения.In addition, based on the experience of using a similar phase composition and alloying level in titanium alloy designs, it can be concluded that the inventive titanium alloy can be welded, which puts it in a number of technological titanium alloys of wide application.
Результаты проведенных испытаний сплавов.Alloy test results.
МПаσ in
MPa
%δ,
%
%ψ,
%
Из таблицы видно, что предлагаемый сплав заметно превосходит известные титановые сплавы по уровню прочности и жаропрочности при температуре до 800°С. Одновременно сплав обеспечивает достаточно высокий уровень пластических и вязких свойств, что обуславливает его надежную работу в высоконагруженных конструкциях.The table shows that the proposed alloy significantly exceeds the known titanium alloys in terms of strength and heat resistance at temperatures up to 800 ° C. At the same time, the alloy provides a sufficiently high level of plastic and viscous properties, which determines its reliable operation in highly loaded structures.
Использование заявленного технического решения позволит:Using the claimed technical solution will allow:
- снизить весовые характеристики узлов изделий, работающий при температурах ≥800°С, в 1,5-1,8 раза за счет замены высоконагруженных деталей из жаропрочных никелевых сплавов;- to reduce the weight characteristics of product units operating at temperatures of ≥800 ° C, by 1.5-1.8 times due to the replacement of highly loaded parts from heat-resistant nickel alloys;
- обеспечить повышение надежности работы титановых изделий при температуре ≥800°С за счет исключения процесса проникающего окисления металла;- to provide increased reliability of titanium products at a temperature of ≥800 ° C due to the exclusion of the process of penetrating oxidation of the metal;
- оптимизировать технологию изготовления деталей и узлов, в том числе сварных, за счет возможности термической обработки на воздухе, исключив вакуумное и с защитной атмосферой термическое оборудование.- to optimize the manufacturing technology of parts and assemblies, including welded ones, due to the possibility of heat treatment in air, excluding vacuum and thermal equipment with a protective atmosphere.
Таким образом, данное изобретение обеспечивает улучшение весовых характеристик за счет замены высоконагруженных деталей из жаропрочных никелевых сплавов, повышение прочности и сопротивление ползучести при отсутствии охрупчивания в процессе работы при повышенных температурах до 800°С. Кроме того, при реализации предлагаемого изобретения обеспечивается стабильная высокая жаростойкость и жаростойкость при повышенных температурах.Thus, this invention provides improved weight characteristics by replacing highly loaded parts of heat-resistant nickel alloys, increasing strength and creep resistance in the absence of embrittlement during operation at elevated temperatures up to 800 ° C. In addition, the implementation of the invention provides a stable high heat resistance and heat resistance at elevated temperatures.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011150852/02A RU2471879C1 (en) | 2011-12-14 | 2011-12-14 | Heatproof titanium alloy |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011150852/02A RU2471879C1 (en) | 2011-12-14 | 2011-12-14 | Heatproof titanium alloy |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2471879C1 true RU2471879C1 (en) | 2013-01-10 |
Family
ID=48806087
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011150852/02A RU2471879C1 (en) | 2011-12-14 | 2011-12-14 | Heatproof titanium alloy |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2471879C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN107723516A (en) * | 2017-10-26 | 2018-02-23 | 攀钢集团攀枝花钢铁研究院有限公司 | Aircraft power plant high temperature resistant titanium alloy and its method of smelting |
RU2675063C1 (en) * | 2017-12-14 | 2018-12-14 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | High-temperature hafnium-containing alloy based on titanium |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2190100A (en) * | 1986-05-07 | 1987-11-11 | Thyssen Edelstahlwerke Ag | A titanium alloy and machine parts made therefrom |
SU1804139A1 (en) * | 1991-04-17 | 1995-06-09 | Центральный научно-исследовательский институт материалов | Titanium base casting alloy |
JPH08120373A (en) * | 1994-08-22 | 1996-05-14 | Sumitomo Metal Ind Ltd | High creep strength titanium alloy and its production |
RU2396366C1 (en) * | 2009-03-02 | 2010-08-10 | Открытое акционерное общество "Композит" (ОАО "Композит") | Heat resistant titanium alloy |
-
2011
- 2011-12-14 RU RU2011150852/02A patent/RU2471879C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2190100A (en) * | 1986-05-07 | 1987-11-11 | Thyssen Edelstahlwerke Ag | A titanium alloy and machine parts made therefrom |
SU1804139A1 (en) * | 1991-04-17 | 1995-06-09 | Центральный научно-исследовательский институт материалов | Titanium base casting alloy |
JPH08120373A (en) * | 1994-08-22 | 1996-05-14 | Sumitomo Metal Ind Ltd | High creep strength titanium alloy and its production |
RU2396366C1 (en) * | 2009-03-02 | 2010-08-10 | Открытое акционерное общество "Композит" (ОАО "Композит") | Heat resistant titanium alloy |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN107723516A (en) * | 2017-10-26 | 2018-02-23 | 攀钢集团攀枝花钢铁研究院有限公司 | Aircraft power plant high temperature resistant titanium alloy and its method of smelting |
RU2675063C1 (en) * | 2017-12-14 | 2018-12-14 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | High-temperature hafnium-containing alloy based on titanium |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP2503013B1 (en) | Heat-resistant superalloy | |
EP2778241A1 (en) | Heat-resistant nickel-based superalloy | |
US11718897B2 (en) | Precipitation hardenable cobalt-nickel base superalloy and article made therefrom | |
EP2233594B1 (en) | Nickel-base alloy for a steam turbine rotor and steam turbine rotor thereof | |
JP7138689B2 (en) | High-temperature, scratch-resistant superalloys, products made from the alloys, and methods of making the alloys | |
EP0269196B1 (en) | Titanium - base alloy | |
JP2022501495A (en) | Creep resistant titanium alloy | |
JP4768672B2 (en) | Ni-base alloy excellent in structure stability and high-temperature strength and method for producing Ni-base alloy material | |
RU2471879C1 (en) | Heatproof titanium alloy | |
RU2471880C1 (en) | Heatproof titanium alloy | |
RU2396366C1 (en) | Heat resistant titanium alloy | |
RU2614356C1 (en) | Titanium-based alloy and product made from it | |
RU2434069C1 (en) | Cast heat resistant alloy on base of nickel | |
JP2004107777A (en) | Austenitic heat resistant alloy, production method therefor and steam turbine parts | |
JP5522998B2 (en) | Heat resistant alloy | |
TWI657147B (en) | A HIGH STRENGH Ni-BASE ALLOY | |
US8435443B2 (en) | High-temperature alloy | |
US2842439A (en) | High strength alloy for use at elevated temperatures | |
RU2789527C1 (en) | Heat resistant nickel-based granular alloy | |
EP3252180B1 (en) | Ni-based alloy having excellent high-temperature creep characteristics, and gas turbine member using same | |
JP2014005528A (en) | Ni-BASED HEAT-RESISTANT ALLOY AND TURBINE COMPONENT | |
RU2586947C1 (en) | Titanium-based alloy and article made therefrom | |
RU2790495C1 (en) | Heat-resistant nickel-based casting alloy and a product made from it | |
JP5533352B2 (en) | β-type titanium alloy | |
RU2627304C1 (en) | Intermetallide titanium-based alloy and product thereof |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20151215 |