Високоміцний, стійкий до окиснення і зносостійкий сплав на основі титану-кремнію

1. Високоміцний, стійкий до окиснення і зносостійкий сплав на основі титану-кремнію, який відрізняється тим, що він містить, мас. %: Si 2,5-12 C2 2 (19) 1 3 негативно впливає на утомні властивості. Спосіб дугової плавки цих відносно тугоплавких сплавів (температура плавлення приблизно 1660°С) та обов'язковий перегрів розплаву до приблизно 1750-1770°С являють собою дуже енергоємну процедуру для виробництва одержуваних литтям по виплавлюваних моделях виливків для авіаційної та автомобільної промисловостей та інженерно-технічного призначення загалом. Добре відомі сплави на основі титану з низьким вмістом кремнію. Так, у [JP 2002060871 А] описується титановий сплав, який містить 0,22,3мас.% Si, 0,1-0,7мас.% О (загальний вміст кисню), а також 0,16-1,12мас.% N і 0,001-0,3мас.% В, а залишок - титан, включаючи неминучі домішки, який використовується для одержання виробів у литому стані. Такі вироби являють собою, наприклад, ключки для гольфу, риболовні снасті і медичні компоненти, такі як штифти для зубних протезів, імплантати, пластинки для скріплення кісток, суглоби і коронки. Однак сплав на основі титану з низьким вмістом кремнію має той недолік, що у ньому утворюються малі голкоподібні виділення Ti3Si вздовж меж зерен, які зменшують опір розвитку тріщин і пластичність цього матеріалу. У статті "Structures and properties of refractory suicides, Ti5Si3 and TiS2 and Ti-Si-(Al) eutectic alloys" Фромейєра зі співавторами (Frommeyer et. al.), опублікованій у травні 2004, на сторінці 301 описується заевтектичний сплав Ti-Si7,5-Al. Крім того, зазначається, що при збільшенні вмісту кремнію аж до приблизно 9% по масі мікроструктура литих зразків складається з тонкої дисперсії частинок силіциду Ti5Si3 всередині матриці твердого розчину a-Ti(Si). Сплави, описані Фромейєром зі співавторами, мають чудову твердість і межу текучості. Однак жароміцність цих Ti-Si-Al-их сплавів є помірною, і при цьому немає указань на стійкість до окиснення при високій температурі. Таким чином, є необхідність у сплаві, який має високу міцність при високих температурах, має більш низьку температуру плавлення, ніж Ti-Al-V-i сплави, і має хороші ливарні властивості. У даному винаході запропоновані титанокремнієві (Ti-Si) сплави з відносно високими вмістами кремнію, які мають відносно низьку температуру плавлення завдяки їх евтектичному складу, хороші ливарні властивості і високу міцність при більш високих температурах, а також дуже високу стійкість до окиснення і деформації повзучості при високих температурах. Даний винахід, таким чином, стосується Ti-Siгo сплаву, який містить 2,5-12мас.% Si, 0-5мас.% Аl, 0-5мас.% Сr, 0-0,5мас.% В, 0-1мас.% рідкісноземельних металів і/або ітрію і/або Sc, залишок, за винятком домішок, складає Ті. Згідно з переважним варіантом реалізації цей сплав містить 0,3-3 мас. % Аl. Згідно з іншим переважним варіантом реалізації цей Ti-Si-ий сплав містить 3-6мас.% Si і 1,2-2,5мас.% Аl. Згідно зі ще одним переважним варіантом реалізації цей сплав містить від 0,001 до 82165 4 0,15мас.% рідкісноземельних металів і/або скандію. Було виявлено, що додання рідкісноземельних металів і/або ітрію і/або скандію поліпшує жароміцність та опір повзучості цього Ti-Si-гo сплаву аж до щонайменше 675°С. Домішки рідкісноземельних металів, ітрію і скандію утворюють у цьому Ті-Si-му сплаві тонку дисперсію термодинамічних стабільних оксидів, таких як Еr2О3, Y2O3 та їм подібних. Сплав переважно містить від 0,1 до 1,5мас.% Сr. Додання Сг поліпшує зміцнення твердого розчину і тому збільшує міцність і підвищує стійкість сплаву до окиснення. У стані безпосередньо після лиття цей Ti-Si-ий сплав має дрібнозернисту доевтектичну, евтектичну або трохи заевтектичну мікроструктуру залежно від вмісту кремнію. Мікроструктура евтектичного Ti-Si-гo сплаву складається з дрібнодисперсних частинок силіциду Ti5Si3 переривистої (дискретної) стрижнеподібної форми всередині матриці гексагонального щільноупакованого твердого розчину a-Ti(Si). Доевтектична мікроструктура складається з первинних кристалів a-Ti(Si), які кристалізувалися, та оточуючої їх евтектики. Ti-Si-ий сплав згідно з винаходом має напруження пластичної плинності щонайменше 800МПа, твердість за Брінелем 350-400 НВ і достатні пластичність та, опір розвитку тріщин (в’язкість руйнування) - критичний коефіцієнт в’язкості руйнування більший 23МПа√м, при кімнатній температурі і аж до 500°С. Ti-Si-ий сплав згідно з винаходом також має чудову стійкість до окиснення (окалиностійкість) аж до 650°С і вище залежно від вмісту Si і поліпшену зносостійкість як при кімнатній, так і при підвищеній температурі. Межа текучості при 650°С буде становити щонайменше Rpo,2=250МПа, а межа міцності при \Jрозтяганні перевищує Rm=450МПа. Заевтектичні мікроструктури складаються з первинних кристалів Ti5Si3, які кристалізувалися, гексагональної форми всередині дрібнозернистої евтектичної мікроструктури. У стані безпосередньо після лиття доевтектичні Ti-Si-i сплави мають при кімнатній температурі в’язкість руйнування - значення КІС більший 23 МП√м, напруження пластичної плинності більше 500МПа при пластичній деформаціїбільшій 1,5-3%. Евтектичний сплав демонструє в’язкість руйнування КІС 15-18 МПа√м, а напруження пластичної плинності при кімнатній температурі перевищує 850МПа. При 600°С і вище в’язкість руйнування збільшується до 30 МПа√м, а межа міцності складає близько щонайменше Rm=450МПа. Випробування на окиснення під дією повітря при 600°С призводять до збільшення маси менше ніж на 5мг/см2 після 500 годин. Для порівняння, звичайний сплав Ti-A16-V4 демонструє утворення поверхневого альфа-шару при 475°С під час довготривалого витримування на повітрі. 5 Межа повзучості (прикладене напруження при даній температурі, при якому швидкість повзучості дорівнює έ = 107 с-1) евтектичного Ti-Si-го сплаву згідно з винаходом складає більше ніж 200МПа при 600°С. У протилежність цьому, сплав Ti-A16V4 з потенційним застосуванням в авіаційній і космічній промисловостях демонструє межу повзучості приблизно 150МПа при 450°С. Ti-Si-ий сплав згідно з винаходом має низьку температуру плавлення у межах між приблизно 1330 і приблизно 1380°С. Крім того, сплав згідно з винаходом має чудові ливарні властивості, що робить можливим одержання виливка по суті будьякого розміру і форми. Внаслідок спектра їх характерних властивостей, описаних вище, Ti-Si-i сплави згідно з винаходом є переважно придатними для виготовлення різних компонентів (конструктивних елементів), які зазнають впливу високих температур, таких як: - з'єднувальні штоки (шатуни), головки поршнів, поршневі пальці, впускні і випускні клапани і колектори газопроводів вихлопних газів у двигунах внутрішнього згоряння і дизельних двигунах; - статичні лопатки у компресорах з осьовим потоком і лопатки вентилятора у реактивних двигунах; - зносостійкі деталі у ткацькому обладнанні ткацьких верстатах - типу човників і з'єднувальних валів; - хірургічні імплантати, пластини для скріплення кісток, суглоби; тверді і поверхневі сплави, які наплавляються, які використовуються як покриття при інженерно-технічній обробці поверхні для поліпшення зносостійкості і для запобігання корозійному стиранню; - корпуси наручних годинників; - корпуси насосів та імпелери (крильчасті або лопатеві робочі колеса) для хімічної і нафтової промисловостей. Ti-Si-i сплави згідно з винаходом є особливо придатними для застосування у литих компонентах завдяки їх відносно низьким температурам плавлення, які складають приблизно від 1330 до 1380°С, і чудовим ливарним властивостям. Ti-Si-ий сплав згідно з винаходом може бути одержаний звичайним способом, наприклад, за допомогою дугової плавки у водоохолоджуваній мідній подині. Приклад 1 Доевтектичний сплав Ti-6Si-2Al згідно з винаходом одержували за допомогою дугової плавки з використанням невитрачуваного вольфрамового електрода. Як вихідні матеріали використовували титанову губку з чистотою більшою 99,8мас.%, гранули кремнію та алюмінію металургійної якості з чистотою більшою 99,8мас.%. Сплав витримували під час дугової плавки у водоохолоджуваній мідній подині при утворенні тонкої твердої охолоді на цій мідній подині, а потім розливали у мідну ливарну форму (кристалізатор) для одержання стрижнеподібних 82165 6 зливків. їх піддавали механічній обробці за допомогою токарної обробки і фрезерування до одержання циліндричних зразків для випробувань на стиск і розтягання, які мають гладко оброблену поверхню. Твердість за Брінелем була визначена рівною приблизно 336±3НВ 187,5/2,5 при прикладенні випробувального навантаження 187,5 кілофунтів. Напруження текучості при кімнатній температурі у випробуванні на стиск було визначене рівним приблизно Rpo,2 725-750МПа, а пластична деформація перевищує -ερι 10%. Опір розвитку тріщин вимірювали у чотириточковому випробуванні на згин. Критичний коефіцієнт в’язкості руйнування KІС варіюється у межах між 19£КІС 21МПа√м. При більш високій температурі 650°С напруження текучості все ще становить 260£ RP0,2 275МПа, а в’язкість руйнування становить приблизно 32 КІС 34Mпa√м. Збільшення маси у випробуванні на окиснення на повітрі при 600°С становило 4,5мг/см2 після 525 годин. Приклад 2 Заевтектичний сплав Ті-lOSi, який містить 0,2мас.% Аl, також одержували за допомогою технології дугової плавки, як описано вище у прикладі 1. Макротвердість за Брінелем цього сплаву була визначена рівною приблизно 365 НВ 187,5/2,5, а межа текучості при кімнатній температурі знаходиться у межах між 930 < RP0 2 965 МПа залежно від розміру зерен сплаву. Пластична деформація при стиску становить приблизно 6-8%, а в’язкість руйнування знаходиться у межах між КІС=16 і 19МПа√м. При більш високій температурі 650°С межа текучості становить приблизно 330-360МПа. В’язкість руйнування тріщин знаходиться у межах між 25 і 28МПа√м. Межа повзучості була визначена при 600°С і мала значення від 215 до 230МПа у грубозернистому стані. Окиснення на повітрі при 650°С призводить до збільшення маси на приблизно 3,8мг/см3 при тривалості витримки 500 годин. Приклад 3 Доевтектичний (близький до евтектичного) зміцнений дисперсними оксидами сплав Ti-7Si-2Al з доданням 0,07мас.% Υ також одержували за допомогою технології дугової плавки, описаної у прикладі 1. Металевий ітрій додавали до розплаву, і там він утворював Υ2Ο3 з розчиненим киснем приблизно 1200м.ч. (мільйонних часток). Твердість за Брінелем була визначена рівною 347±2 НВ 187,5/2,5. Виміряна межа текучості складала приблизно від 960 до 990МПа. Перші експерименти по повзучості при 600°С при швидкості повзучості ε=10-7 с-1 продемонстрували межу повзучості у межах між 235 і 255МПа. Приклад 4 Доевтектичний зміцнений дисперсними оксидами сплав Ti-5,5Si-3,5Al-l,5Cr-0,1Υ одержували за допомогою технології дугової плавки, описаної у прикладі 1. Металевий ітрій додавали у розплав, і там він утворював Υ2Ο3 з розчиненим у розплаві киснем. 7 Твердість за Брінелем була виміряна рівною 373±2НВ при навантаженні 187,5 кілофунтів при кімнатній температурі, а інтенсивність напружень при випробуванні на в’язкість руйнування була виміряна рівною КІС=21МПа√м. При 650°С межа міцності при розтяганні була виміряна рівною приблизно Rm=360МПа, в’язкість руйнування складав у межах між 35 і 40МП√м, а межа повзучості при швидкості деформації έ=10-7 с-1 перевищувала 270МПа. Випробування на окиснення при 600°С на повітрі демонструють збільшення маси менше ніж 8мг/см після витримки тривалістю 500 годин. Для порівняння, випробування на окиснення промислового сплаву Ti-6Al-4V демонструють збільшення маси більше ніж 20мг/см3 після витримки 500 годин на повітрі при 600°С. Ці приклади показують, що Ti-Si-i сплави за даним винаходом мають несподівано високу жароміцність і дуже хорошу стійкість до окиснення при високих температурах. 82165 8