RU2633135C1 - Интерметаллический сплав на основе TiAl - Google Patents
Интерметаллический сплав на основе TiAl Download PDFInfo
- Publication number
- RU2633135C1 RU2633135C1 RU2016144389A RU2016144389A RU2633135C1 RU 2633135 C1 RU2633135 C1 RU 2633135C1 RU 2016144389 A RU2016144389 A RU 2016144389A RU 2016144389 A RU2016144389 A RU 2016144389A RU 2633135 C1 RU2633135 C1 RU 2633135C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- alloy
- alloys
- tial
- phase
- content
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C14/00—Alloys based on titanium
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C30/00—Alloys containing less than 50% by weight of each constituent
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области металлургии, в частности легированным сплавам на основе γ-TiAl. Интерметаллический сплав на основе TiAl содержит, ат.%: алюминий 44-46, ниобий 5-7, хром 1-3, цирконий 1-2, бор 0,1-0,5, лантан ≤0,2, титан - остальное. Сплав характеризуется мелкозернистой изотропной микроструктурой, низким содержанием растворенного кислорода, высокой прочностью и пластичностью до температур 700-800°С при плотности менее 4,2 г/см3. 1 табл., 2 ил.
Description
Изобретение относится к области металлургии, в частности к легированным сплавам на основе титаналюминидов с преобладающей фазой γ-TiAl. Сплавы этого типа отличаются малой плотностью, высокой удельной прочностью и хорошей стойкостью к окислению, и предназначены для конструкционных применений при высоких температурах и нагрузках. В частности, такие сплавы перспективны для изготовления стационарных сопловых лопаток компрессора и турбины низкого давления в составе газотурбинных двигателей.
Инновационные гамма-титаналюминиды, релевантные современному уровню техники (так называемые сплавы 3-го поколения), содержат 42-46 ат.% алюминия, и в качестве легирующих добавок переходные металлы, стабилизирующие первичную β-Ti фазу (также известную как В2-фаза), с которой начинается кристаллизация расплавов [Appel F., Paul J.D.H., Oehring М. "Gamma Titanium Aluminide Alloys: Science and Technology", Weinheim, Wiley-VCH Verlag, 2011, 745 р.]. Помимо Nb и Cr, используются такие β-стабилизаторы, как Mo, Та, Zr, W. Их применение приводит к сохранению в затвердевшем литом сплаве относительно малой объемной фракции стабилизированной В2-фазы, пластичной при высоких температурах. Благодаря этому, работоспособность известных β-стабилизированных сплавов в наиболее экстремальных условиях повышается до 700-800°С. Однако, для применений в составе жаропрочных компонентов современных авиационных турбин, необходимо поддержание необходимого баланса прочности и пластичности сплавов при комнатной температуре при сохранении плотности сплавов не более 4,2 г/см3. В частности, необходимым свойством сплавов для таких применений является относительное удлинение при разрушении на разрыв (пластическое предельное удлинение), превышающее 1%.
Низкотемпературную пластичность интерметаллических γ-TiAl сплавов повышают с помощью измельчения их структурного зерна в процессе литья и/или последующих термомеханических обработок. В частности, для получения изотропной мелкозернистой структуры в состав литых сплавов вводят модифицирующую примесь бора в концентрациях до 1 ат.%.
Кроме того, пластичность сплавов зависит от содержания охрупчивающей примеси кислорода, растворенного в основных интерметаллических фазах γ-TiAl и α2-TiAl. Необходимым условием применения γ-TiAl сплавов в составе ответственных узлов и деталей авиационной турбины является содержание растворенного кислорода не более 1000 мас. ppm. Кислород в титаналюминидах является фоновой трудноконтролируемой примесью, уровень содержания которой определяется чистотой и условиями технологических процессов синтеза и литья сплавов. В частности, источником кислорода являются различные составы оксидной керамики, применяемые для изготовления тиглей и литейных форм. Поэтому одним из способов снижения содержания кислорода является применение в процессах кристаллизации расплавов TiAl тигельной жаростойкой керамики неоксидной природы (например, такой способ раскрыт в патенте RU 2362651 С1, опубл. 27.07.2009).
Другим способом снижения содержания кислорода в титаналюминидах является введение в их состав очень малого количества примесей редкоземельных элементов (РЗЭ), атомы которых служат внутренним геттером кислорода в расплаве. Из-за высокого химического сродства РЗЭ к кислороду, он экстрагируется и связывается в микропреципитаты оксидов РЗЭ, дисперсно выпадающие в объеме отливок. Такие микропреципитаты могут упрочнять сплавы по дисперсионному механизму. В настоящей заявке с этой целью применяется микролегирование лантаном.
Известен сплав, описанный в RU 2466201 С2 (опубл. 12.12.2008 г.), содержащий титан, от 38 до 46 ат.% алюминия и от 5 до 10 ат.% ниобия. В частности, в качестве дополнительных (независимых), а также самостоятельных решений в этом изобретении упомянуты сплавы на основе титаналюминидов следующих составов (в атомных %): Ti-(38,5-42,5) Al-(5-10) Nb-(0,5-5)Cr и Ti-(39-43) Al-(5-10) Nb-(0,5-5)Zr. Общими с заявляемым сплавом являются назначение изобретения, а также номенклатура основных и некоторых легирующих химических элементов. Различие состоит в том, что совместное легирование сплавов хромом и цирконием в известном изобретении не предусмотрено. Различие также состоит в том, что в составе сплавов по RU 2466201 отсутствуют бор и лантан. Различия также состоят в количественных содержаниях элементов и, как следствие, в фазовых составах полученных сплавов. Различие также состоит в более низком по сравнению с заявляемой формулой содержании алюминия, что в частности приводит к формированию в составе сплавов по RU 2466201 орторомбической фазы В19, отсутствующей в заявляемом сплаве. Недостатком известных сплавов является необходимость проведения их дополнительных высокотемпературных термомеханических обработок для достижения требуемых свойств, в частности методом экструзии, или комбинации таких термообработок.
Известен также сплав на основе гамма-алюминида титана γ-TiAl, описанный в RU 2520250 C1 (опубл. 14.03.2013 г.), имеющий плотность при комнатной температуре не более 4,2 г/см3, 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.%. В частности, в примерах реализации изобретения упомянуты следующие составы сплавов (в атомных %): Ti-45Al-1,3Nb-1,7Cr; Ti-45,5Al-1,6Nb-1,3Cr и Ti-45,3Al-1,5Nb-1,0Zr. Общими с заявляемым сплавом являются назначение изобретения, а также номенклатура основных и некоторых легирующих химических элементов. Различие состоит в том, что совместное легирование сплавов хромом и цирконием в известном изобретении не предусмотрено. Различие также состоит в том, что в составе сплавов по RU 2520250 отсутствуют бор и лантан. Различия также состоят в количественных содержаниях элементов и, как следствие, в фазовых составах полученных сплавов. Различие также состоит в более низком по сравнению с заявляемой формулой суммарном содержании переходных металлов. Это более низкое содержание переходных металлов, в частности, приводит к формированию в составе упомянутых по RU 2520250 сплавов двухфазной структуры (γ+α2) при отсутствии β-фазы, что обусловливает недостаточную жаропрочность известного сплава.
Прототипом заявляемого сплава выбран сплав на основе алюминидов титана, описанный в RU 2370561 С2 (опубл. 01.09.2005 г.), который имеет состав Ti-zAl-yNb-хВ, где 44,5≤z≤47 ат.%, 5≤y≤10 ат.% и 0,05≤x≤0,8 ат.%, а также содержит молибден в количестве 0,1≤Мо≤3 ат.% и имеет тонко дисперсную β-фазу в γ-титаналюминидном сплаве. Общими с заявляемым сплавом являются назначение изобретения, а также номенклатура составляющих химических элементов Ti, Al, Nb и В. Общим с заявляемым сплавом является также трехфазный состав сплава, состоящий из основных (γ+α2) интерметаллических фаз и неосновной β/В2-фазы, существование которой обусловлено введением достаточного количества β-стабилизирующей добавки переходного металла (в данном случае молибдена). Недостатком известного сплава является использование в его составе тяжелого элемента Мо, повышающего плотность сплава.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание сплава на основе TiAl, в литом состоянии имеющего мелкодисперсную изотропную микроструктуру, плотность не более 4,2 г/см3, обладающего повышенными прочностными характеристиками при температурах до 750-800°С и предельным удлинением более 1% при испытаниях на разрыв при комнатной температуре.
В качестве изобретения предлагается интерметаллический сплав на основе TiAl с содержанием компонентов в атомных %:
алюминия 44-46,
ниобия 5-7,
хрома 1-3,
циркония 1-2,
бора 0.1-0.5,
лантана ≤0.2,
титан - остальное.
Заявляемый сплав на основе TiAl отличается от прототипа номенклатурой примененных легирующих элементов Cr, Zr и La вместо Мо и количественной формулой состава. Содержание алюминия в диапазоне 44-46 ат.% обеспечивает кристаллизацию единственной первичной β-фазы из расплава в литейных процессах, реализацию оптимальной схемы твердофазных превращений и итоговый состав сплава по основным интерметаллическим фазам γ+α2. Введение ниобия с содержанием 5-7 ат.% позволяет повысить прочностные характеристики сплава в интервале рабочих температур, а также частично стабилизировать остаточное содержание неосновной β/В2 фазы. Содержание ниобия более 7 ат.% увеличивает плотность сплава. Хром и цирконий, примененные совместно в диапазонах легирования 1-3 ат.% и 1-2 ат.% соответственно, являются дополнительными стабилизаторами β/В2 фазы, но при этом имеют атомные массы, меньшие, чем у Nb. Точная дозировка этих примесей обеспечивает необходимое количественное содержание β/В2 фазы. Бор, примененный в диапазоне концентраций 0.1-0.5 ат.%, является источником множественных точечных затравок - микрокристаллов TiB, выпадающих при охлаждении расплава в твердой фазе, и при множественном затравлении твердой фазы уменьшающих средний размер структурного зерна. Содержание бора более 0.5 ат.% приводит к ухудшению пластичности сплава. Лантан в микроколичествах является геттером охрупчивающей примеси кислорода. Содержание лантана более 0.2 ат.% приводит к выпадению в объеме отливки крупных микрочастиц оксида лантана La2O3, а также к ухудшению пластичности сплава.
Указанный технический результат достигается изготовлением сплава в соответствии с составом, предложенным в формуле изобретения, например, с применением литейных технологий.
Изобретение поясняется чертежом, где на Фиг. 1а изображена мелкодисперсная изотропная микроструктура заявляемого сплава. Изображение получено методом растровой электронной микроскопии в режиме обратно-рассеянных электронов. На Фиг. 1б изображено статистическое распределение структурных зерен сплава по их диаметру, приведено среднее значение диаметра зерна - 27.5 мкм и величина его среднеквадратического отклонения - 12.6 мкм.
Примеры реализации изобретения поясняются Таблицей 1, где в диапазоне температур 20-800°С приведены результаты измерений предела текучести (σ0.2), предела прочности (σmax) и предельного удлинения (δ) в зависимости от конкретного содержания компонентов в составе сплава. Измерения проведены при одноосном растяжении образцов. В Таблице 1 приведены также значения плотности сплава при комнатной температуре, измеренные методом гидростатического взвешивания.
Интерметаллический сплав по предложенному в изобретении составу получают методами литья, в частности сплавлением навесок исходных компонентов в необходимом количестве в огнеупорном керамическом тигле при температурах 1700-1800°С в атмосфере аргона, с использованием индукционного нагрева загруженной шихты. Из экспериментальных данных, представленных в Таблице 1, следует, что сплав обладает устойчивыми высокими механическими характеристиками до температуры 800°С, с высокой для сплавов этого типа низкотемпературной пластичностью более 1%. Следовательно, сплав пригоден для многих применений в широком диапазоне температур, например, может использоваться для высоконагружаемых конструктивных элементов.
Указанные свойства объясняются мелкодисперсной изотропной микроструктурой сплава, зафиксированной на Фиг. 1а, а также низким содержанием кислорода в сплаве. В частности, экспериментальное определенное содержание растворенного кислорода составило 1210 мас. ppm при отсутствии La; 430 мас. ppm при 0.07 ат.% La, и 290 мас. ppm при 0.2 ат.% La в составе сплава.
Claims (2)
- Интерметаллический сплав на основе TiAl, содержащий алюминий, ниобий, хром, цирконий и титан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит бор и лантан, при следующем соотношении компонентов, ат.%:
-
алюминий 44-46 ниобий 5-7 хром 1-3 цирконий 1-2 бор 0,1-0,5 лантан ≤0,2 титан остальное
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016144389A RU2633135C1 (ru) | 2016-11-11 | 2016-11-11 | Интерметаллический сплав на основе TiAl |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016144389A RU2633135C1 (ru) | 2016-11-11 | 2016-11-11 | Интерметаллический сплав на основе TiAl |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2633135C1 true RU2633135C1 (ru) | 2017-10-11 |
Family
ID=60129283
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016144389A RU2633135C1 (ru) | 2016-11-11 | 2016-11-11 | Интерметаллический сплав на основе TiAl |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2633135C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP3974551A4 (en) * | 2019-05-23 | 2023-01-25 | IHI Corporation | TIAL ALLOY AND PROCESS OF PRODUCTION |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH03257130A (ja) * | 1990-03-05 | 1991-11-15 | Daido Steel Co Ltd | Ti―Al系耐熱材料 |
JPH0578769A (ja) * | 1991-09-25 | 1993-03-30 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 金属間化合物基耐熱合金 |
RU2370561C2 (ru) * | 2004-11-23 | 2009-10-20 | Гксс-Форшунгсцентрум Геестхахт Гмбх | Сплав на основе алюминидов титана |
RU2466201C2 (ru) * | 2007-12-13 | 2012-11-10 | Гксс-Форшунгсцентрум Геестхахт Гмбх | Титаналюминидные сплавы |
CN101768685B (zh) * | 2008-12-26 | 2012-11-14 | 北京有色金属研究总院 | 一种生物医用钛铌基形状记忆合金及其制备、加工和应用方法 |
-
2016
- 2016-11-11 RU RU2016144389A patent/RU2633135C1/ru active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH03257130A (ja) * | 1990-03-05 | 1991-11-15 | Daido Steel Co Ltd | Ti―Al系耐熱材料 |
JPH0578769A (ja) * | 1991-09-25 | 1993-03-30 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 金属間化合物基耐熱合金 |
RU2370561C2 (ru) * | 2004-11-23 | 2009-10-20 | Гксс-Форшунгсцентрум Геестхахт Гмбх | Сплав на основе алюминидов титана |
RU2466201C2 (ru) * | 2007-12-13 | 2012-11-10 | Гксс-Форшунгсцентрум Геестхахт Гмбх | Титаналюминидные сплавы |
CN101768685B (zh) * | 2008-12-26 | 2012-11-14 | 北京有色金属研究总院 | 一种生物医用钛铌基形状记忆合金及其制备、加工和应用方法 |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP3974551A4 (en) * | 2019-05-23 | 2023-01-25 | IHI Corporation | TIAL ALLOY AND PROCESS OF PRODUCTION |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Li et al. | Heat treatment and mechanical properties of a high-strength cast Mg–Gd–Zn alloy | |
Colombo et al. | Influences of different Zr additions on the microstructure, room and high temperature mechanical properties of an Al-7Si-0.4 Mg alloy modified with 0.25% Er | |
JPH0754085A (ja) | 耐クリープ性のチタンアルミ化物合金組成物及びこの組成物を有するインベストメント鋳造物 | |
US20040191111A1 (en) | Er strengthening aluminum alloy | |
JP2011052323A (ja) | ニッケル基超合金及び物品 | |
US8877122B2 (en) | Ni-based single crystal superalloy and turbine blade incorporating the same | |
KR20110131327A (ko) | 알루미늄 합금 및 알루미늄 합금 주물 | |
Liang et al. | Advances in phase relationship for high Nb-containing TiAl alloys | |
Amer et al. | Effect of Mn on the phase composition and properties of Al–Cu–Y–Zr alloy | |
CN112779443B (zh) | 一种铝合金及铝合金结构件 | |
JP2023507928A (ja) | 耐熱アルミニウム粉末材料 | |
JP2016035113A (ja) | 鋳造可能な耐熱性アルミニウム合金 | |
JP6594663B2 (ja) | 耐熱性マグネシウム鋳造合金とその製造方法 | |
JP2009114513A (ja) | TiAl基合金 | |
EP3434797B1 (en) | Advanced cast aluminum alloys for automotive engine application with superior high-temperature properties | |
Barkov et al. | Effect of the Zr and Er content on the structure and properties of the Al–5Si–1.3 Cu–0.5 Mg alloy | |
RU2633135C1 (ru) | Интерметаллический сплав на основе TiAl | |
Kabirian et al. | Effects of Zirconium Additions on the Microstructure of As‐Cast and Aged AZ91 Magnesium Alloy | |
US10227680B2 (en) | Alloys | |
Li et al. | Prediction of the thermal conductivity of Mg-Al-La alloys by CALPHAD method | |
Cui et al. | Microstructure and properties of a beta-solidifying TiAl-based alloy with different refiners | |
Lapin | Effect of ageing on the microstructure and mechanical behaviour of a directionally solidified Ni3Al-based alloy | |
Wang et al. | Effects of Sc, Zr and Ti on the microstructure and properties of Al alloys with high Mg content | |
WO2017123186A1 (en) | Tial-based alloys having improved creep strength by strengthening of gamma phase | |
Zhu et al. | High-strength Ti-Al-V-Zr cast alloys designed using α and β cluster formulas |