1. Основные требования к характеристикам жаропрочных-титановых сплавов
Сохранение прочности: Поддерживать достаточную прочность на растяжение и предел текучести при целевых температурах без значительного ухудшения качества.
Сопротивление ползучести: минимизировать остаточную деформацию при длительных-статических или циклических нагрузках при высоких температурах (основной вид разрушения высоко-конструкционных компонентов).
Устойчивость к окислению: Образует плотную, стабильную оксидную пленку для предотвращения сильного окисления и образования накипи в воздухе с высокой-температурой или в агрессивной атмосфере.
Микроструктурная стабильность: Избегайте фазовых превращений (например, → фазового перехода или выделения хрупких интерметаллических фаз), которые могут ухудшить эксплуатационные характеристики при длительном воздействии-температуры.
2. Первичные высокотемпературные-титановые сплавы для 400 градусов + обслуживание
2.1 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Ti-6242)
Химический состав и микроструктура: содержит алюминий (-стабилизатор), олово (нейтральный упрочнитель), цирконий (улучшитель зерна) и молибден (умеренный -стабилизатор). Его микроструктура состоит из первичной матрицы фазы - с небольшой долей фазы - (5–10%) на границах зерен, что обеспечивает как высокую-температурную стабильность, так и умеренную пластичность.
Работа при высоких-температурах:
При 450 градусах его прочность на растяжение остается выше 700 МПа (по сравнению с<600 MPa for Grade 5 at the same temperature), and its yield strength exceeds 600 MPa.
Он демонстрирует превосходное сопротивление ползучести: при напряжении 300 МПа при температуре 450 градусов скорость деформации ползучести составляет менее 1×10^-7/ч, что намного ниже, чем у класса 5 (который превышает 1×10^-5/ч в тех же условиях).
Его стойкость к окислению превосходит класс 5: после 1000 часов выдержки при температуре 500 градусов толщина оксидного слоя составляет всего ~ 15 мкм, без растрескивания или внутреннего окисления.
Сценарии применения: Широко используется в компонентах авиационных-двигателей, таких как лопатки компрессоров (ступени низкого---среднего давления), направляющие лопатки и выхлопные кожухи, а также высоко-конструкционные детали газовых турбин и компоненты топливной системы ракетных двигателей.
2.2 Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo (Ti-6246)
Химический состав и микроструктура: Он имеет те же основные элементы, что и Ti-6242, но с более высоким содержанием молибдена (6% по сравнению с. 2% в Ti-6242), что увеличивает долю -фазы (10–15%) и повышает дисперсионное упрочнение во время термообработки. Его микроструктура представляет собой равноосные зерна и матрицу -фазы с мелкими выделениями после старения.
Работа при высоких-температурах:
При 500 градусах его предел прочности составляет ~650 МПа, а предел текучести ~580 МПа, что делает его на 10–15% прочнее, чем Ti-6242 при этой температуре.
Его сопротивление ползучести является выдающимся: при напряжении 250 МПа при температуре 500 градусов деформация ползучести в течение 1000-часов составляет менее 0,1 %, что соответствует требованиям, предъявляемым к компонентам авиационных двигателей с высокими-нагрузками.
Стойкость к окислению сравнима с Ti-6242, при этом защитный оксидный слой образуется при температуре до 550 градусов для кратковременного использования.
Сценарии применения: в основном используется для компонентов авиационных-двигателей, подвергающихся высоким-нагрузкам, включая диски компрессоров высокого-давления, валы роторов и основания лопаток турбин (для двигателей с температурой на входе в турбину ниже 600 градусов), а также для деталей конструкций сверхзвуковых самолетов.
2.3 Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr (Ti-52244)
Химический состав и микроструктура: содержит большое количество -стабилизаторов (молибдена и хрома), которые сохраняют метастабильную -фазовую матрицу при комнатной температуре и образуют мелкие осадки во время старения. Сплав имеет однородную, не-направленную микроструктуру без охрупчивания по границам зерен.
Работа при высоких-температурах:
При 450 градусах его предел прочности достигает ~750 МПа и он сохраняет высокую усталостную прочность (более или равную 350 МПа при циклической нагрузке), превосходя сплавы, близкие к -, в сценариях динамических нагрузок.
Его сопротивление ползучести достаточно для эксплуатации при температуре 450 градусов (деформация ползучести<0.2% at 300 MPa for 1000 hours) and it has good oxidation resistance in air, with minimal scaling up to 500°C.
Сценарии применения: Идеально подходит для сварных высокотемпературных-компонентов, таких как выпускные коллекторы авиационных-двигателей, конструкции форсажных камер самолетов и высоко-сосуды под давлением на химических заводах (для агрессивных высокотемпературных-сред).
2,4 Ти-1100 (Ti-6Al-2,75Sn-4Zr-0,4Mo-0,45Si)
Химический состав и микроструктура: в его состав входит кремний (элемент, устойчивый к ползучести-, который образует мелкие осадки силицидов) для улучшения характеристик ползучести при высоких-температурах. Его микроструктура представляет собой матрицу первичной -фазы с дисперсными частицами силицида и следовой -фазой, что обеспечивает долговременную-стабильность микроструктуры при температуре 600 градусов.
Работа при высоких-температурах:
При 550 градусах его предел прочности составляет ~ 680 МПа, а его сопротивление ползучести не имеет себе равных среди титановых сплавов: при напряжении 200 МПа при 600 градусах деформация ползучести в течение 1000 часов составляет<0.15%.
Его стойкость к окислению повышается за счет образования оксидного слоя, богатого Si-, который препятствует дальнейшей диффузии кислорода; после 500 часов при температуре 600 градусов оксидный слой остается плотным и липким.
Сценарии применения: Зарезервировано для компонентов усовершенствованных авиационных-двигателей высокого-компрессора давления (для двигателей с большой-тягой), тепловых конструктивных деталей гиперзвуковых транспортных средств и высоко-компонентов космических двигательных установок (где снижение веса имеет решающее значение, а суперсплавы на основе никеля-слишком тяжелы).
3. Рекомендации по выбору жаропрочных-титановых сплавов
Для обслуживания 400–450 градусов: Ti-6242 — это экономически-эффективный выбор, сочетающий в себе производительность и технологичность для большинства авиационных двигателей и промышленного применения.
Для обслуживания 450–550 градусов.: Ti-6246 предпочтителен для требований высокой прочности, а Ti-52244 оптимален для сварных компонентов.
Для обслуживания 550–600 градусов: Ti-1100 — единственный жизнеспособный вариант титанового сплава, хотя он требует специальной термической обработки и имеет более высокие производственные затраты (компромисс-из-за его экстремально высоких температур).
4. Ограничения и дополнительные примечания
Титановые сплавы, как правило, не рекомендуются для непрерывной эксплуатации при температуре выше 600 градусов, так как их стойкость к окислению и характеристики ползучести быстро ухудшаются (суперсплавы на основе никеля- становятся основной альтернативой для условий 600 градусов + сверх-высоких-температур.
При работе при высоких-температурах в агрессивных средах (например, с примесями серы или хлоридов) можно наносить поверхностные покрытия (например, алюминидные или силицидные покрытия) для дальнейшего повышения стойкости к окислению и коррозии этих сплавов.
