RU2520250C1

RU2520250C1 - Gamma titanium aluminide-based alloy

Info

Publication number: RU2520250C1
Application number: RU2013111285/02A
Authority: RU
Inventors: Владимир Дмитриевич Белов; Павел Владимирович Петровский; Сергей Петрович Павлинич; Павел Владимирович Аликин; Анна Олеговна Деменок
Original assignee: Открытое акционерное общество "Уфимское моторостроительное производственное объединение"
Priority date: 2013-03-14
Filing date: 2013-03-14
Publication date: 2014-06-20

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: proposed alloy features density at a room temperature of not over 4.2 g/cm³, solidus temperature of at least 1450°C, the number of phases α2 and γ at 600-800°C making at least 20 wt % and at least 69 wt %, respectively. Total quantity of said phase makes at least 95 wt % while niobium content in γ-phase makes at least 3 wt %. Proposed method consists in that said γ-TiAl alloy containing niobium in amount of 1.3 or 1.5 at. % and transition metals selected from chromium in amount of 1.3 or 1.7 at. % and zirconium in amount of 1.0 at. % is subjected to hot isostatic forming. Said forming is combined with annealing at 800°C and holding for 100 hours.

EFFECT: low density, stable phase composition at operating temperatures.

2 cl, 2 dwg, 4 tbl, 1 ex

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.The invention relates to the field of metallurgy, in particular to alloys based on gamma-aluminide titanium (γ-TiAl) obtained by shaped casting and designed to produce critical products operating at temperatures up to 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.Alloys based on titanium aluminide TiAl (hereinafter γ-alloys) are one of the most promising materials for producing blades of gas turbine engines of a new generation, in particular shaped casting methods [Appel F., Paul JDH, and Oehring M “Gamma Titanium Aluminum Alloys: Science and Technology)), Wiley-VCH Verlag & Co. KGaA, 2011, 745 p.]. These alloys should possess not only high casting properties, but also a complex of different mechanical properties: strength, ductility, fatigue properties, heat resistance, etc. A feature of γ alloys is the high sensitivity of their phase composition and, as a consequence, operational properties even to small changes in concentrations alloying elements and to the parameters of the process, in particular to the heat treatment mode.

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.The main advantage of gamma alloys compared to heat-resistant nickel alloys is their lower density (about 2 times), which is of paramount importance for aircraft. With increasing aluminum concentration, the density decreases. In particular, for a TiAl compound of stoichiometric composition (36 wt.% Al), it is 3.8 g / cm ³ . However, the double alloy is fragile and does not allow to provide the necessary range of service properties.

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.The plasticity of gamma alloys can be increased by additional alloying with niobium and other transition metals. In particular, alloy 48-2-2 is known, containing 48 at.% Al, 2 at.% Nb, 2 at.% Cr [Ilyin A.A., Kolachev B.A., Polkin I.S. Titanium alloys. Composition, structure, properties. Directory. M .: VILS-MATI, 2009, 520 s]. This alloy has a higher complex of strength properties compared to TiAl, having a fairly low density (up to 4.1 g / cm ³ ). The disadvantage of this alloy is its low solidus (below 1450 ° C), which limits the heat resistance (in particular, the limiting operating temperatures). In addition, the plasticity of this alloy is low, which is associated with a small amount of alpha-2 (α ₂ ) phase.

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.Closest to the proposed is an alloy based on gamma aluminide titanium, disclosed in patent US 6524407 (Feb. 25, 2003). This alloy contains 45 at.% Al, 5-10 at.% Nb, as well as small additives of carbon and boron, which have little effect on the phase composition. This alloy has high strength at elevated temperatures. Its main disadvantage is the increased density (about 5 g / cm ³ ), which is due to the high concentration of niobium.

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.%.The objective of the invention is the creation of a new alloy based on gamma aluminide titanium having a combination of low density, sufficiently high solidus temperature and having a stable phase composition at operating temperatures in the range from 600 to 800 ° C with an alpha-2 (α ₂ ) phase content of at least 20 wt.% And a concentration of niobium in the gamma phase of at least 3 wt.%.

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.%,The problem is solved in that an alloy based on gamma (γ) -aluminium of titanium containing niobium and other transition metals is proposed, characterized in that its density at room temperature does not exceed 4.2 g / cm ³ , the solidus temperature is at least 1450 ° C, the number of phases alpha-2 (α ₂ ) and γ at 600-800 ° C are at least 20 wt.% And at least 69 wt.%, Respectively, the total number of these phases is at least 95 wt.%, And the concentration niobium in the γ phase is at least 3 wt.%,

В частном исполнении сплав выполнен в виде фасонных отливок.In a private embodiment, the alloy is made in the form of shaped castings.

Сущность изобретения состоит в следующем.The invention consists in the following.

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.The specified alloy density is ensured by the low content of niobium and other transition metals. The set solidus temperature is ensured mainly by limiting aluminum concentration to no more than 46 mol%. The specified number of phases γ and α _{2 is} ensured by the optimal ratio of dopants and the corresponding heat treatment. The presence of phases within the stated limits at operating temperatures allows a sufficiently dispersed and homogeneous structure to be obtained, including a small interplatelet distance α ₂ + γ inside eutectoid colonies. This allows you to get a fairly high and stable complex of mechanical properties at operating temperatures. When the content of phase α ₂ below the declared value decreases ductility. When the phase content γ is lower than the declared value, the characteristics of heat resistance decrease. When the total amount of these phases is lower than the declared value, the thermal stability of the mechanical properties at operating temperatures is reduced. When the concentration of niobium in the γ phase is less than 3 wt.%, The plasticity and heat resistance characteristics are reduced.

ПРИМЕР ВЫПОЛНЕНИЯEXAMPLE OF PERFORMANCE

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)Since the operating temperatures of gamma-alloys are high enough, one should expect to achieve a state close to equilibrium. This allows you to quantify using the appropriate state diagrams. Based on the calculation using the Thermo-Calc program (TTTIAL database, see www / thermocalc.com), alloys of the optimal composition Ti-Al-Nb-Cr and Ti-Al-Nb-Zr systems were selected. As an example, table 1 shows the phase composition parameters of the three alloys (1-3) corresponding to the invention, compared with the known alloys (4-5)

Таблица 1Table 1 Расчетные параметры фазового состава гамма-сплавовThe calculated parameters of the phase composition of gamma alloys СплавAlloy $T_{w}^{1}$

, °C

T_{w}^{one}

° C The number of phases at T _W , wt.%

T_{s}^{2}

° C

C_{N b}^{3}

wt.% No. Composition, at.% α ₂ γ α ₂ one 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 one hundred 1501 4.0 700 28.3 71.7 one hundred 4.0 800 28.9 71.2 one hundred 3.9 four 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 one hundred 1501 18.1 700 21.7 78.3 one hundred 18.0 800 21.8 78,2 one hundred 17.8 ¹ - operating temperature, ² solidus temperature, ³ niobium concentration in phase 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.%.As can be seen from table 1, alloys 1-3 (corresponding to the invention) and 5 (prototype) in the temperature range 600-800 ° C have the required characteristics of the phase composition: the solidus temperature exceeds 1450 ° C, the number of phases alpha-2 (α ₂ ) and γ at 600-800 ° C are at least 20 wt.% and at least 69 wt.%, respectively, the total number of these phases is at least 95 wt.%, and the concentration of niobium in the γ-phase is at least 3 wt.% .

Температура солидуса известного сплава 4 составляет менее 1450°C количество фазы α₂ при 600-800°C намного ниже требуемого значения.The solidus temperature of the known alloy 4 is less than 1450 ° C. The amount of phase α ₂ at 600-800 ° C is much lower than the required value.

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.Alloy No. 1-4 was prepared in the form of castings in a vacuum melting and casting unit with a copper water-cooled crucible. Samples of these alloys were subjected to heat treatment (including HIP treatment), after which their density was experimentally determined (by weighing on analytical lever scales in air and water). As can be seen from table 2, the density of alloys 1-3 is lower than 4.2 g / cm ³ . In the known alloy, selected as a prototype, the density is significantly higher than the desired value.

Таблица 2table 2 Экспериментально определенная плотность гамма-сплавовExperimentally determined density of gamma alloys Сплав¹ Alloy ¹ D, г/см³ D, g / cm ³ 1one 4,1554,155 22 4,164.16 33 4,1584,158 55 4,6674,667 ¹ см. табл.1 ¹ see table 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).In alloys 1-3, the number of phases on an X-ray diffractometer was experimentally determined. The survey was carried out on a DRON 2 apparatus in copper radiation with a wavelength of 1.54178 Å in the range of angles 2θ 10-110 ° C in increments of 0.1 °. The concentration of niobium in the γ phase was determined using a JSM-6610LV scanning electron microscope equipped with an INCA SDD X-MAX energy dispersive attachment microanalyzer manufactured by Oxford Instruments and INCA Energy software. Analyzed samples annealed at 800 ° C for 100 hours. The alloy structure mainly consisted of eutectoid colonies α ₂ + γ (Figure 1). As can be seen from Table 3, the experimentally determined values are close to the calculated ones (Table 1).

Таблица 3Table 3 Экспериментально определенные параметры фазового состава сплава 1 после выдержки при 800°C в течение 100 часовExperimentally determined parameters of the phase composition of alloy 1 after exposure at 800 ° C for 100 hours СплавAlloy Количество фаз, мас.%The number of phases, wt.% $C_{N b}^{3}$

, мас.%

C_{N b}^{3}

wt.% α ₂ γ one 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 (σ_в), предела текучести (σ_0,2) 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.Alloy 1 (table 1) was prepared in the form of a shaped casting in the form of a scapula (Figure 2). The castings were heat treated (including the HIP treatment). Then, samples were cut from them to determine the tensile mechanical properties: tensile strength (σ _in ), yield strength (σ _0.2 ) and elongation (δ). The tests were carried out at temperatures of 600-800 ° C. From table 4 it is seen that the claimed alloy has a high stability of mechanical properties, which is a consequence of the stability of the phase composition at temperatures in the range of 600-800 ° C.

Таблица 4Table 4 Механические свойства заявленного сплава (состав 1 в табл.1) при разных температурахThe mechanical properties of the claimed alloy (composition 1 in table 1) at different temperatures ТемператураTemperature Временное сопротивление (σ_в), МПаTemporary resistance (σ _in ), MPa Предел текучести (σ_0,2), МПаYield Strength (σ _0.2 ), MPa Относительное удлинение (δ), %Elongation (δ),% 600600 725725 695695 2,82,8 700700 735735 690690 3,53,5 800800 730730 680680 4,14.1

Claims

1. A method of producing an alloy based on gamma-aluminide titanium γ-TiAl having a density at room temperature of not more than 4.2 g / cm ³ , a solidus temperature of not less than 1450 ° C, the number of phases α ₂ and γ at 600-800 ° C not less than 20 wt.% and not less than 69 wt.%, respectively, the total number of these phases is not less than 95 wt.%, and the niobium content in the γ-phase is not less than 3 wt.%, namely, that the alloy based on gamma γ-TiAl titanium aluminide containing niobium in an amount of 1.3, or 1.5, or 1.6 at.% and transition metals selected from chromium in an amount of 1.3 or 1.7 at.% and zirconium in an amount of 1 0 t.% is subjected to hot isostatic pressing, combined with heat treatment by annealing at a temperature of 800 ° C and holding for 100 hours.

2. The method according to claim 1, characterized in that the alloy is obtained in the form of shaped castings.