WO2024043804A1 - Titanium alloy sheet material and exhaust system component - Google Patents

Titanium alloy sheet material and exhaust system component Download PDF

Info

Publication number
WO2024043804A1
WO2024043804A1 PCT/RU2023/000248 RU2023000248W WO2024043804A1 WO 2024043804 A1 WO2024043804 A1 WO 2024043804A1 RU 2023000248 W RU2023000248 W RU 2023000248W WO 2024043804 A1 WO2024043804 A1 WO 2024043804A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sheet material
alloy
titanium
phase
titanium alloy
Prior art date
Application number
PCT/RU2023/000248
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Михаил Оттович ЛЕДЕР
Анатолий Владимирович ВОЛКОВ
Максим Сергеевич КАЛИЕНКО
Татьяна Александровна ЛАВРОВА
Александр Сергеевич ГРЕБЕНЬЩИКОВ
Елизавета Александровна ПЛАКСИНА
Original Assignee
Публичное Акционерное Общество "Корпорация Всмпо-Ависма"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from RU2022122702A external-priority patent/RU2785110C1/en
Application filed by Публичное Акционерное Общество "Корпорация Всмпо-Ависма" filed Critical Публичное Акционерное Общество "Корпорация Всмпо-Ависма"
Publication of WO2024043804A1 publication Critical patent/WO2024043804A1/en

Links

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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N13/00—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features ; Exhaust or silencing apparatus, or parts thereof, having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F01N1/00 - F01N5/00, F01N9/00, F01N11/00
    • F01N13/16—Selection of particular materials

Definitions

  • the invention relates to non-ferrous metallurgy, in particular to the creation of sheet material from low-alloy titanium alloys that have heat resistance and oxidation resistance, as well as structural stability during long-term operating exposures in the temperature range up to 800°C and can be used for the manufacture of products that operate for a long time at high temperatures, in particular components of exhaust systems of vehicle engines.
  • titanium-based alloys are used in the production of engine components such as intake and exhaust valves, housings, turbine impellers, pipes and tanks.
  • engine components particularly exhaust systems, made from low-alloy titanium-based alloys are subject to operating temperatures in the order of 500-800°C. Therefore, the performance properties of materials, such as heat resistance and oxidation resistance, are a priority.
  • the material used must have sufficient technological ductility, because the components are mainly produced by cold forming from rolled sheets and by bending welded pipes. To obtain high plasticity characteristics, it is important to create a structure in the material with a globular morphology of a-phase grains, since the globular microstructure has better molding properties than the needle structure.
  • Creep which is the tendency of a solid material to slowly shift or permanently deform under stress, occurs when a metal is subjected to a constant tensile load at an elevated temperature. High creep resistance allows the material to be used for a long time without distortion of shape and size, while it is important to maintain the level of the original properties of the material.
  • Known flat products and exhaust system components made from oxidation-resistant high-strength titanium alloy, which consists of, wt.%: from 0.06 to 0.5 iron, from 0.02 to 0.12 oxygen, from 0.15 to 0.46 silicon and the rest is titanium and random impurities.
  • the titanium alloy has an average grain size of 15.9 microns or less.
  • Rolled steel has high plastic properties, but has reduced resistance to high temperature oxidation.
  • a known material for the exhaust system is made of a low-alloy titanium alloy, which has excellent resistance to high-temperature oxidation and corrosion and contains, wt.%, A1: 0.30-1.50%, Si: 0.10-1.0% and additionally containing Nb: 0.1-0.5 (US Patent No. 7166367, published 01/23/2007, IPC B32B15/01; C22C14/00, F01N7/16) - prototype.
  • the material from this alloy has high strength and plastic properties at room and elevated temperatures, but has an insufficient level of resistance to high-temperature creep.
  • the problem to be solved by the invention is the creation of sheet material with a globular microstructure from a low-alloy titanium alloy with the possibility of manufacturing a wide range of products from it, including those used in engine components and exhaust systems of vehicles.
  • the technical result achieved by implementing the invention is the production of sheet material from a titanium alloy having a complex of high mechanical and operational properties, including an increased level of creep resistance, oxidation resistance, as well as structural stability during long-term operating exposures in the temperature range up to 800°C and with the possibility of cold forming.
  • the titanium alloy contains components in the following ratios, wt.%:
  • the ratio of Mo, mass. %, to Si, wt. %, is 0.4 - 3.
  • the sheet material contains at least 90 vol.% a-phase in the structure.
  • the total content of the 0-phase and intermetallic particles of titanium silicides is 0.5 -5 vol. %.
  • the average grain size of the a-phase ranges from 5 to 100 ⁇ m.
  • the sheet material is made in the form of rolled sheets up to 6 mm thick. Also, the technical result is achieved by the fact that a component of the vehicle exhaust system is proposed that operates for a long time at high temperatures and is made of titanium alloy sheet material.
  • the titanium alloy material contains alloying elements from various groups of stabilizers: alpha stabilizers: aluminum, oxygen, carbon, nitrogen; beta stabilizers: molybdenum, silicon.
  • Aluminum improves heat resistance and creep resistance, reducing scale formation at high temperatures. temperature.
  • the aluminum content in the alloy is taken to be from 1.5-3.0 wt.%.
  • the maximum aluminum content in the alloy is limited to 3.0 wt.%.
  • Alloying of the alloy with molybdenum in an amount of 0.1 -0.5 wt.%. helps increase strength due to solid solution strengthening and the appearance of p-phase interlayers in the structure, which are interphase boundaries and inhibit the movement of dislocations during deformation, and also prevent the collective growth of a-grains at high temperatures during heat treatment and operation.
  • Molybdenum content is more than 0.5 wt.%. reduces heat resistance, since the temperature of the polymorphic transformation of the alloy decreases and the proportion of the P-phase in the structure increases.
  • the silicon content in the alloy is set in the range from 0.1 to 0.6 wt. %. In this range, silicon forms an intermetallic compound with titanium - a silicide of complex stoichiometric composition (Ti x Si y ).
  • the formation of the required amount of silicides in the alloy increases heat resistance, creep resistance and prevents grain growth at high temperatures.
  • silicon significantly increases the oxidation resistance of the alloy up to a concentration of 0.8 wt%. At higher concentrations, technological plasticity/formability decreases due to the formation of coarse-grained silicides.
  • the maximum hydrogen content in the alloy limited to 0.015 wt.%, avoids embrittlement of the alloy due to the possible formation of titanium hydrides.
  • the iron content in the alloy is limited to 0.2 wt. %, because higher content has a negative effect on creep resistance and short-term heat resistance.
  • the main factor in the stability of the structure during long-term operating exposures at elevated temperatures is the presence of particles that inhibit grain growth. They are both particles (3-phases in the alloy and particles of silicides. The presence of both types of particles in the alloy is very important, which is achieved by close contents of Mo and Si.
  • the preferred ratio (3-isomorphic molybdenum and 0-eutectoid silicon Mo/ Si in weight percent is in the range from 0.4 to 3. This ratio allows for increased oxidation resistance, increased creep resistance and structural stability during long service exposures
  • composition of elements introduced into the alloy in the claimed ratio and individually characterized by a favorable effect on the oxidation resistance of titanium makes it possible to achieve an additive effect in terms of obtaining high values creep resistance of the alloy while providing strength and plastic properties in combination with oxidation resistance in relation to known low-alloy titanium alloys.
  • the globular structure of a-phase grains has higher values of plasticity and formability than the acicular structure. For this reason, to improve the formability of sheet material, a homogeneous globular microstructure with an average a-phase grain size of 5 to 100 ⁇ m is preferred. Obtaining a microstructure with an average a-phase grain size of less than 5 ⁇ m requires a large number of technological operations and, accordingly, high costs; in a microstructure with an average a-phase grain size of more than 100 ⁇ m, the boundaries of large grains become the starting points of destruction during fracture.
  • Measurement of the average diameter of a-phase grains in the structure of a titanium workpiece is carried out in accordance with the methodology of the international standard ASTM E112.
  • the fraction of O-phase particles and silicides is measured using a scanning electron probe microscope (SEM) in backscattered electron mode and processing the resulting images using software for quantitative analysis of the microstructure by elemental contrast.
  • SEM scanning electron probe microscope
  • the preferred content of the a-phase in the material is at least 95 vol.%.
  • the total content of the 0-phase and intermetallic particles of titanium silicides in the material in the range of 0.5-5 vol.% helps to increase the resistance to high-temperature creep.
  • the industrial applicability of the invention is confirmed by an example of its specific implementation.
  • the ingot was subjected to deformation by forging and subsequent rolling to obtain a roll with a thickness of 0.9 mm; the final stages of rolling were performed below the polymorphic transformation temperature of 945 °C, which is necessary for the formation of the globular structure of a-grains.
  • samples were cut out in the as-delivered state.
  • tensile tests were carried out at temperatures of 20°C, 500°C, 700°C; to evaluate the material's stampability criterion, deep drawing tests according to Eriksen were carried out.
  • the values of the tensile mechanical properties of the material in the delivered state (annealed state) are given in Table 2 and the comparative graph presented in Fig. 1. Table 2
  • the average grain size of the a-phase in the longitudinal section determined in accordance with the international standard ASTM E112, is 15 ⁇ m.
  • the proportion of the a-phase was 98 vol.%, and the proportion of the 0-phase and titanium silicide particles was 2 vol.%.
  • the fraction of 0-phase and titanium silicide particles was measured using a scanning electron probe microscope (SEM) in backscattered electron mode and calculating the fraction of phases in an image analysis program.
  • the grain structure of the material with particles of titanium silicides and interlayers of the 0-phase after annealing at 625°C for 1000 hours does not change in comparison with the initial one (Fig. 6), which indicates the stability of the structure.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

The invention relates to metallurgy, and more particularly to a sheet material made of titanium alloys that are resistant to high heat and oxidation and exhibit structural stability under prolonged operational exposure to temperatures in a range of up to 800°С, and can be used for manufacturing components of a vehicle exhaust system. The present titanium alloy sheet material for the manufacture of components contains: 1.5-3.0 wt% aluminium, 0.1-0.5 wt% molybdenum, 0.1-0.6 wt% silicon, not more than 0.2 wt% iron, not more than 0.15 wt% oxygen, not more than 0.1 wt% carbon, not more than 0.03 wt% nitrogen, not more than 0.015 wt% hydrogen, and the balance titanium. The sheet material has high creep resistance and oxidation resistance values, as well as a stable structure under prolonged operational exposure to temperatures in a range of up to 800°С. The material is suitable for cold forming.

Description

ЛИСТОВОЙ МАТЕРИАЛ ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА И КОМПОНЕНТ ВЫХЛОПНОЙ СИСТЕМЫ TITANIUM ALLOY SHEET AND EXHAUST SYSTEM COMPONENT
Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к созданию листового материала из низколегированных титановых сплавов, обладающих жаропрочностью и стойкостью к окислению, а также стабильностью структуры при длительных эксплуатационных выдержках в диапазоне температур до 800°С и может быть использовано для изготовления изделий, длительно работающих при высоких температурах, в частности компонентах выхлопных систем двигателей транспортных средств. The invention relates to non-ferrous metallurgy, in particular to the creation of sheet material from low-alloy titanium alloys that have heat resistance and oxidation resistance, as well as structural stability during long-term operating exposures in the temperature range up to 800°C and can be used for the manufacture of products that operate for a long time at high temperatures, in particular components of exhaust systems of vehicle engines.
В различных коммерческих применениях, например, производство двигателей внутреннего сгорания и выхлопных систем, сплавы на основе титана используются в производстве компонентов для них, таких как впускные и выпускные клапаны, корпуса, рабочая крыльчатка турбины, трубы и баки. Во многих из этих применений компоненты двигателей, в частности выхлопных систем, изготовленные из низколегированных сплавов на основе титана, подвергаются рабочим температурам порядка 500-800°С. Поэтому эксплуатационные свойства материалов, такие как жаропрочность и стойкость к окислению, являются приоритетными. Кроме того, используемый материал должен обладать достаточной технологической пластичностью, потому что компоненты, в основном, изготовляют холодной формовкой из листового проката и путем изгиба сварных труб. Для получения высоких характеристик пластичности важно создать в материале структуру с глобулярной морфологией зерен a-фазы, так как глобулярная микроструктура имеет лучшие свойства для формовки, чем игольчатая структура. In a variety of commercial applications, such as internal combustion engines and exhaust systems, titanium-based alloys are used in the production of engine components such as intake and exhaust valves, housings, turbine impellers, pipes and tanks. In many of these applications, engine components, particularly exhaust systems, made from low-alloy titanium-based alloys are subject to operating temperatures in the order of 500-800°C. Therefore, the performance properties of materials, such as heat resistance and oxidation resistance, are a priority. In addition, the material used must have sufficient technological ductility, because the components are mainly produced by cold forming from rolled sheets and by bending welded pipes. To obtain high plasticity characteristics, it is important to create a structure in the material with a globular morphology of a-phase grains, since the globular microstructure has better molding properties than the needle structure.
По мере того как конструкторы двигателей внутреннего сгорания повышают эффективность работы двигателей, соответственно, повышаются такие характеристики как давление наддува, степень сжатия и рабочие температуры. Повышение уровня указанных характеристик приводит к потребности в материалах, которые будут сопротивляться деформации (ползучести) при более высоких рабочих температурах и давлениях в камере сгорания и выхлопной системе, чем в настоящее время достижимы традиционными низколегированными титановыми сплавами. Ползучесть, представляющая собой склонность твердого материала к медленному смещению или остаточной деформации под воздействием нагрузок, возникает, когда металл подвергается постоянной растягивающей нагрузке при повышенной температуре. Высокое сопротивление ползучести позволяет эксплуатировать материал длительное время без искажения формы и размеров, при этом важно сохранение уровня первоначальных свойств материала. As internal combustion engine designers improve engine efficiency, characteristics such as boost pressure, compression ratio and operating temperatures increase accordingly. Increasing levels of these characteristics lead to the need for materials that will resist deformation (creep) at higher operating temperatures and pressures in the combustion chamber and exhaust system than are currently achievable with traditional low-alloy titanium alloys. Creep, which is the tendency of a solid material to slowly shift or permanently deform under stress, occurs when a metal is subjected to a constant tensile load at an elevated temperature. High creep resistance allows the material to be used for a long time without distortion of shape and size, while it is important to maintain the level of the original properties of the material.
Следовательно, востребованными являются материалы, обладающие, кроме их низкой цены, как можно большим сочетанием высоких значений механических и эксплуатационных свойств. Consequently, materials are in demand that, in addition to their low price, have the greatest possible combination of high values of mechanical and operational properties.
Известен плоский прокат и компоненты выхлопной системы, изготовленные из стойкого к окислению высокопрочного титанового сплава, который состоит из, масс.%: от 0,06 до 0,5 железа, от 0,02 до 0,12 кислорода, от 0,15 до 0,46 кремния и остальное - титан и случайные примеси. При этом титановый сплав имеет средний размер зерна 15,9 мкм или менее. (Патент США №US8349096, публ. 08.01.2013, МПК С22С14/00). Known flat products and exhaust system components made from oxidation-resistant high-strength titanium alloy, which consists of, wt.%: from 0.06 to 0.5 iron, from 0.02 to 0.12 oxygen, from 0.15 to 0.46 silicon and the rest is titanium and random impurities. However, the titanium alloy has an average grain size of 15.9 microns or less. (US Patent No. US8349096, published 01/08/2013, IPC C22C14/00).
Прокат имеет высокие пластические свойства, однако обладает пониженной стойкостью к высокотемпературному окислению. Rolled steel has high plastic properties, but has reduced resistance to high temperature oxidation.
Известен материал для выхлопной системы, изготовленный из низколегированного титанового сплава, обладающего превосходной стойкостью к высокотемпературному окислению и коррозии и содержащего, масс.%, А1: 0,30-1,50%, Si: 0,10-1,0% и дополнительно содержащий Nb: 0,1-0, 5 (Патент США №7166367, публ. 23.01.2007, МПК В32В15/01; С22С14/00, F01N7/16) - прототип. A known material for the exhaust system is made of a low-alloy titanium alloy, which has excellent resistance to high-temperature oxidation and corrosion and contains, wt.%, A1: 0.30-1.50%, Si: 0.10-1.0% and additionally containing Nb: 0.1-0.5 (US Patent No. 7166367, published 01/23/2007, IPC B32B15/01; C22C14/00, F01N7/16) - prototype.
Материал из указанного сплава обладает высокими прочностными и пластическими свойствами при комнатной и повышенной температуре, однако имеет недостаточный уровень сопротивления высокотемпературной ползучести. The material from this alloy has high strength and plastic properties at room and elevated temperatures, but has an insufficient level of resistance to high-temperature creep.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание листового материала с глобулярной микроструктурой из низколегированного титанового сплава с возможностью изготовления из него широкой номенклатуры изделий, в том числе используемых в компонентах двигателей и выхлопных системах транспортных средств. The problem to be solved by the invention is the creation of sheet material with a globular microstructure from a low-alloy titanium alloy with the possibility of manufacturing a wide range of products from it, including those used in engine components and exhaust systems of vehicles.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении изобретения, является получение листового материала из титановогс сплава, обладающего комплексом высоких механических и эксплуатационных свойств, включая повышенный уровень сопротивления ползучести, стойкостью к окислению, а также стабильностью структуры при длительных эксплуатационных выдержках в диапазоне температур до 800°С и с возможностью формовки в холодном состоянии. The technical result achieved by implementing the invention is the production of sheet material from a titanium alloy having a complex of high mechanical and operational properties, including an increased level of creep resistance, oxidation resistance, as well as structural stability during long-term operating exposures in the temperature range up to 800°C and with the possibility of cold forming.
Технический результат достигается тем, что в листовом материале из титанового титана для изготовления компонентов, длительно работающих при высоких температурах, согласно изобретению титановый сплав содержит компоненты в следующих соотношениях, масс.%: The technical result is achieved by the fact that in titanium sheet material for the manufacture of components that operate for a long time at high temperatures, according to According to the invention, the titanium alloy contains components in the following ratios, wt.%:
Алюминий 1,5- 3,0, Молибден 0,1- 0,5, Кремний 0,1- 0,6, Железо не более 0,2, Кислород не более 0,15, Углерод не более 0, 1 , Азот не более 0,03, Водород не более 0,015, остальное - Ti. Aluminum 1.5-3.0, Molybdenum 0.1-0.5, Silicon 0.1-0.6, Iron no more than 0.2, Oxygen no more than 0.15, Carbon no more than 0.1, Nitrogen no more than 0.03, Hydrogen no more than 0.015, the rest is Ti.
При этом в сплаве соотношение Мо, масс. %, к Si, масс. %, составляет 0,4 - 3. Листовой материал содержит в структуре не менее 90 об.% a-фазы. Суммарное содержание 0-фазы и интерметаллидных частиц силицидов титана составляет 0,5 -5 об. %. Средний размер зерен a-фазы составляет от 5 до 100 мкм. Кроме того листовой материал выполнен в виде листового проката толщиной до 6 мм. Также технический результат достигается тем, что предложен компонент выхлопной системы транспортного средства, длительно работающий при высоких температурах и изготовленный из листового материала из титанового сплава. Moreover, in the alloy the ratio of Mo, mass. %, to Si, wt. %, is 0.4 - 3. The sheet material contains at least 90 vol.% a-phase in the structure. The total content of the 0-phase and intermetallic particles of titanium silicides is 0.5 -5 vol. %. The average grain size of the a-phase ranges from 5 to 100 µm. In addition, the sheet material is made in the form of rolled sheets up to 6 mm thick. Also, the technical result is achieved by the fact that a component of the vehicle exhaust system is proposed that operates for a long time at high temperatures and is made of titanium alloy sheet material.
В состав материала из титанового сплава введены легирующие элементы из различных групп стабилизаторов: альфа-стабилизаторы: алюминий, кислород, углерод, азот; бета-стабилизаторы: молибден, кремний. The titanium alloy material contains alloying elements from various groups of stabilizers: alpha stabilizers: aluminum, oxygen, carbon, nitrogen; beta stabilizers: molybdenum, silicon.
Алюминий повышает жаропрочность и сопротивление ползучести, уменьшая образование окалины при высокой температуре. Содержание алюминия в сплаве принято от 1, 5-3,0 масс.%. Для сохранения оптимальной технологической пластичности максимальное содержание алюминия в сплаве ограничено 3,0 масс.%. Aluminum improves heat resistance and creep resistance, reducing scale formation at high temperatures. temperature. The aluminum content in the alloy is taken to be from 1.5-3.0 wt.%. To maintain optimal technological ductility, the maximum aluminum content in the alloy is limited to 3.0 wt.%.
Содержание кислорода, азота и углерода в указанных пределах, наряду с повышением прочности, повышает температуру аллотропического превращения титана и обеспечивает сохранение высокого уровня прочности и пластичности. Более высокие концентрации кислорода, углерода и азота понижают технологическую пластичность и ударную вязкость сплава. The content of oxygen, nitrogen and carbon within the specified limits, along with an increase in strength, increases the temperature of the allotropic transformation of titanium and ensures the preservation of a high level of strength and ductility. Higher concentrations of oxygen, carbon and nitrogen reduce the technological ductility and impact strength of the alloy.
Группа бета-стабилизаторов (Mo, Si). Group of beta stabilizers (Mo, Si).
Легирование сплава молибденом в количестве 0,1 -0,5 масс.%. способствует повышению прочности за счет твердорастворного упрочения и появления в структуре прослоек p-фазы, которые являются межфазными границами и тормозят движение дислокаций при деформации, а также препятствуют собирательному росту а-зерен при высоких температурах при термообработке и эксплуатации. Содержание молибдена более 0,5 масс.%. снижает жаропрочность, поскольку уменьшается температура полиморфного превращения сплава и увеличивается доля P-фазы в структуре. Alloying of the alloy with molybdenum in an amount of 0.1 -0.5 wt.%. helps increase strength due to solid solution strengthening and the appearance of p-phase interlayers in the structure, which are interphase boundaries and inhibit the movement of dislocations during deformation, and also prevent the collective growth of a-grains at high temperatures during heat treatment and operation. Molybdenum content is more than 0.5 wt.%. reduces heat resistance, since the temperature of the polymorphic transformation of the alloy decreases and the proportion of the P-phase in the structure increases.
Наличие в сплаве кремния, который присутствует в твердом растворе титана, повышает сопротивление ползучести. Содержание кремния в сплаве установлено в диапазоне от 0,1 до 0,6 масс. %. В указанном диапазоне кремний образует с титаном интерметаллидное соединение - силицид сложного стехиометрического состава (TixSiy). Образование в сплаве необходимого количества силицидов повышает жаропрочность, сопротивление ползучести и препятствует росту а- зерен при высоких температурах. Кроме того, кремний существенно повышает стойкость к окислению сплава до концентрации 0,8 масс %. При большей концентрации снижается технологическая пластичность/формуемость из-за образования крупнозернистых силицидов. Отсутствие в сплаве таких элементов, как Zr и Sn, понижающих температуру эвтектоидного превращения образования силицидов, позволяет максимально увеличить содержание Si в твердом растворе, обеспечивая максимальное увеличение жаропрочности. The presence of silicon in the alloy, which is present in the titanium solid solution, increases the creep resistance. The silicon content in the alloy is set in the range from 0.1 to 0.6 wt. %. In this range, silicon forms an intermetallic compound with titanium - a silicide of complex stoichiometric composition (Ti x Si y ). The formation of the required amount of silicides in the alloy increases heat resistance, creep resistance and prevents grain growth at high temperatures. In addition, silicon significantly increases the oxidation resistance of the alloy up to a concentration of 0.8 wt%. At higher concentrations, technological plasticity/formability decreases due to the formation of coarse-grained silicides. The absence of elements such as Zr and Sn in the alloy, which lower the temperature of the eutectoid transformation of silicide formation, makes it possible to maximize the Si content in the solid solution, providing a maximum increase in heat resistance.
Максимальное содержание водорода в сплаве, ограниченное 0,015 масс.%, позволяет избежать охрупчивания сплава по причине возможного образования гидридов титана. The maximum hydrogen content in the alloy, limited to 0.015 wt.%, avoids embrittlement of the alloy due to the possible formation of titanium hydrides.
Содержание железа в сплаве ограничено 0,2 масс. %, т.к. большее содержание негативно сказывается на сопротивлении ползучести и кратковременной жаропрочности. The iron content in the alloy is limited to 0.2 wt. %, because higher content has a negative effect on creep resistance and short-term heat resistance.
Основным фактором стабильности структуры при длительных эксплуатационных выдержках при повышенных температурах является наличие частиц, сдерживающих рост зерна. Ими выступают как частицы (3-фазы в сплаве, так и частицы силицидов. Очень важным при этом является наличие обоих типов частиц в сплаве, что достигается близким содержанием Мо и Si. Предпочтительное соотношение (3-изоморфного молибдена и 0-эвтектоидного кремния Mo/Si в весовых процентах находится в диапазоне от 0,4 до 3. Такое соотношение позволяет обеспечить повышенную стойкость к окислению, повышенное сопротивление ползучести и стабильность структуры при длительных эксплуатационных выдержкахThe main factor in the stability of the structure during long-term operating exposures at elevated temperatures is the presence of particles that inhibit grain growth. They are both particles (3-phases in the alloy and particles of silicides. The presence of both types of particles in the alloy is very important, which is achieved by close contents of Mo and Si. The preferred ratio (3-isomorphic molybdenum and 0-eutectoid silicon Mo/ Si in weight percent is in the range from 0.4 to 3. This ratio allows for increased oxidation resistance, increased creep resistance and structural stability during long service exposures
Композиция элементов, введенных в состав сплава в заявляемом соотношении и характеризующихся в отдельности благоприятным влиянием на стойкость к окислению титана, позволяет достичь аддитивного эффекта в части получения высоких значений сопротивления ползучести сплава при обеспечении прочностных, пластических свойств в сочетании со стойкостью к окислению по отношению к известным низколегированным титановым сплавам. The composition of elements introduced into the alloy in the claimed ratio and individually characterized by a favorable effect on the oxidation resistance of titanium makes it possible to achieve an additive effect in terms of obtaining high values creep resistance of the alloy while providing strength and plastic properties in combination with oxidation resistance in relation to known low-alloy titanium alloys.
Дополнительное повышение свойств материала достигается регламентированием структуры, влияющей на свойства формовки в холодном состоянии. Глобулярная структура зерен a-фазы имеет более высокие значения пластичности и формуемости, чем игольчатая структура. По этой причине для улучшения формуемости листового материала предпочтительна однородная глобулярная микроструктура со средним размером зерен a-фазы от 5 до 100 мкм. Получение микроструктуры со средним размером зерна a-фазы менее 5 мкм требует большого количества технологических операций и соответственно, высоких затрат, в микроструктуре со средним размером зерен a-фазы более 100 мкм границы крупных зерен становятся исходными точками разрушений при изломе. Измерение среднего диаметра зерен a-фазы в структуре титановой заготовки осуществляется в соответствии с методикой международного стандарта ASTM Е112. Доля частиц 0-фазы и силицидов измеряется с использованием растрового электронно-зондового микроскопа (РЭМ) в режиме обратнорассеянных электронов и обработкой полученных изображений с помощью программного обеспечения для количественного анализа микроструктуры по контрасту элементов. An additional increase in the properties of the material is achieved by regulating the structure, which affects the cold forming properties. The globular structure of a-phase grains has higher values of plasticity and formability than the acicular structure. For this reason, to improve the formability of sheet material, a homogeneous globular microstructure with an average a-phase grain size of 5 to 100 μm is preferred. Obtaining a microstructure with an average a-phase grain size of less than 5 µm requires a large number of technological operations and, accordingly, high costs; in a microstructure with an average a-phase grain size of more than 100 µm, the boundaries of large grains become the starting points of destruction during fracture. Measurement of the average diameter of a-phase grains in the structure of a titanium workpiece is carried out in accordance with the methodology of the international standard ASTM E112. The fraction of O-phase particles and silicides is measured using a scanning electron probe microscope (SEM) in backscattered electron mode and processing the resulting images using software for quantitative analysis of the microstructure by elemental contrast.
Для стабильности а-зеренной структуры в процессе эксплуатации предпочтительное содержание a-фазы в материале составляет не менее 95 об.%. Суммарное содержание в материале 0- фазы и интерметаллидных частиц силицидов титана в интервале 0,5-5 об.% способствует повышению сопротивления высокотемпературной ползучести. Промышленная применимость изобретения подтверждается примером его конкретного выполнения. For stability of the a-grain structure during operation, the preferred content of the a-phase in the material is at least 95 vol.%. The total content of the 0-phase and intermetallic particles of titanium silicides in the material in the range of 0.5-5 vol.% helps to increase the resistance to high-temperature creep. The industrial applicability of the invention is confirmed by an example of its specific implementation.
Для исследования свойств предлагаемого материала был выплавлен слиток массой 2100 кг по промышленной технологии методом вакуумно-дугового переплава. Химический состав сплава представлен в табл. 1. To study the properties of the proposed material, an ingot weighing 2100 kg was melted using industrial technology using the vacuum-arc remelting method. The chemical composition of the alloy is presented in table. 1.
Табл.1
Figure imgf000009_0001
Table 1
Figure imgf000009_0001
Слиток подвергали деформированию ковкой и последующей прокатке с получением рулона толщиной 0,9 мм, завершающие этапы прокатки выполнены ниже температуры полиморфного превращения, равной 945 °C, что необходимо для формирования глобулярной структуры a-зерен. Для исследования механических свойств сплава осуществляли вырезку образцов в состоянии поставки. Для анализа механических свойств проводили испытания на растяжение при температурах 20°С, 500°С, 700°С, для оценки критерия штампуемости материала проводили испытания на глубокую вытяжку по Эриксену. Значения механических свойств материала при растяжении в состоянии поставки (отожженное состояние) приведены в табл.2 и сравнительном графике, представленном на фиг. 1. Табл. 2
Figure imgf000010_0001
The ingot was subjected to deformation by forging and subsequent rolling to obtain a roll with a thickness of 0.9 mm; the final stages of rolling were performed below the polymorphic transformation temperature of 945 °C, which is necessary for the formation of the globular structure of a-grains. To study the mechanical properties of the alloy, samples were cut out in the as-delivered state. To analyze the mechanical properties, tensile tests were carried out at temperatures of 20°C, 500°C, 700°C; to evaluate the material's stampability criterion, deep drawing tests according to Eriksen were carried out. The values of the tensile mechanical properties of the material in the delivered state (annealed state) are given in Table 2 and the comparative graph presented in Fig. 1. Table 2
Figure imgf000010_0001
Для моделирования работы материала при эксплуатации в изделии проводили изотермический отжиг образцов в статическом лабораторном воздухе при температурах 560°С, 625°С с продолжительностью выдержки 1000 часов, а также при 800°С с продолжительностью выдержки 200 часов. После чего осуществляли исследование стойкости к окислению посредством расчета привеса массы образцов, выраженного в мг/см2. Результаты исследований стойкости к окислению в сравнении со сплавом-прототипом приведены на графиках зависимости привеса сплавов от квадратного корня из времени окисления при температурах 560°С, 625°С и 800°С, представленных, соответственно, на фиг. 2, 3, 4. To simulate the performance of the material during operation in the product, isothermal annealing of samples was carried out in static laboratory air at temperatures of 560°C, 625°C with a holding time of 1000 hours, and also at 800°C with a holding duration of 200 hours. Then, the oxidation resistance was studied by calculating the weight gain of the samples, expressed in mg/cm 2 . The results of studies of oxidation resistance in comparison with the prototype alloy are shown on graphs of the dependence of the weight gain of alloys on the square root of oxidation time at temperatures of 560°C, 625°C and 800°C, presented, respectively, in Fig. 2, 3, 4.
Кроме того, на образцах в состоянии поставки определяли сопротивление ползучести при температуре 500°С и длительности 100 часов, выраженное в зависимости относительной деформации образца при напряжении ЗОМПа. Результаты сопротивления ползучести заявляемого материала в сравнении с прототипом приведены на графике, представленном на фиг. 5. In addition, creep resistance was determined on samples in the as-delivered state at a temperature of 500°C and a duration of 100 hours, expressed as a function of the relative deformation of the sample under stress ZOMP. Resistance results The creep of the proposed material in comparison with the prototype is shown in the graph shown in Fig. 5.
В структуре материала заготовки средний размер зерен a-фазы в продольном сечении, определенный соответствии с международным стандартом ASTM Е112, составляет 15 мкм. Доля a-фазы составила 98 об.%, а доля 0-фазы и частиц силицидов титана составила 2 об.%. Долю 0-фазы и частиц силицидов титана измеряли с использованием растрового электронно-зондового микроскопа (РЭМ) в режиме обратнорассеянных электронов и расчетом доли фаз в программе анализа изображений. In the structure of the workpiece material, the average grain size of the a-phase in the longitudinal section, determined in accordance with the international standard ASTM E112, is 15 μm. The proportion of the a-phase was 98 vol.%, and the proportion of the 0-phase and titanium silicide particles was 2 vol.%. The fraction of 0-phase and titanium silicide particles was measured using a scanning electron probe microscope (SEM) in backscattered electron mode and calculating the fraction of phases in an image analysis program.
Зеренная структура материала с частицами силицидов титана и прослойками 0-фазы после отжига при 625°С длительностью 1000 часов в сравнении с исходной не изменяется (фиг. 6), что свидетельствует о стабильности структуры. The grain structure of the material with particles of titanium silicides and interlayers of the 0-phase after annealing at 625°C for 1000 hours does not change in comparison with the initial one (Fig. 6), which indicates the stability of the structure.
Анализ результатов испытаний и данных исследований показал, что предлагаемый листовой материал из титанового сплава обладает комплексом высоких механических и эксплуатационных свойств, включая сопротивление высокотемпературной ползучести по отношению к известным низколегированным сплавам. Результаты оценки сопротивления окислению образцов после длительного изотермического отжига демонстрируют долговечность материала. Analysis of test results and research data showed that the proposed titanium alloy sheet material has a complex of high mechanical and performance properties, including resistance to high-temperature creep in relation to known low-alloy alloys. The results of assessing the oxidation resistance of samples after long-term isothermal annealing demonstrate the durability of the material.

Claims

Формула изобретения Claim
1. Листовой материал из титанового сплава для изготовления компонентов, длительно работающих при высоких температурах, отличающийся тем, что титановый сплав содержит компоненты в следующих соотношениях, масс.%: 1. Sheet material made of titanium alloy for the manufacture of components that operate for a long time at high temperatures, characterized in that the titanium alloy contains components in the following ratios, wt.%:
Алюминий 1,5- 3,0, Молибден 0,1- 0,5, Кремний 0,1- 0,6, Железо не более 0,2, Aluminum 1.5-3.0, Molybdenum 0.1-0.5, Silicon 0.1-0.6, Iron no more than 0.2,
Кислород не более 0,15, Oxygen no more than 0.15,
Углерод не более 0, 1 , Азот не более 0,03, Водород не более 0,015, остальное - Ti. Carbon no more than 0.1, Nitrogen no more than 0.03, Hydrogen no more than 0.015, the rest is Ti.
2. Листовой материал по п.1, отличающийся тем, что соотношение в сплаве масс. % Мо к масс. % Si составляет 0,4 - 3. 2. Sheet material according to claim 1, characterized in that the ratio in the alloy mass. % Mo by mass. % Si is 0.4 - 3.
3. Листовой материал по п.1., отличающийся тем, что средний размер зерен a-фазы составляет от 5 до 100 мкм. 3. Sheet material according to claim 1, characterized in that the average grain size of the a-phase is from 5 to 100 microns.
4. Листовой материал по п.1., отличающийся тем, что он содержит не менее 95 % об. а-фазы. 4. Sheet material according to claim 1, characterized in that it contains at least 95% vol. a-phase.
5. Листовой материал по п.1., отличающийся тем, что суммарное содержание p-фазы и интерметаллидных частиц силицидов титана составляет 0,5 -5 об. %. 5. Sheet material according to claim 1, characterized in that the total content of the p-phase and intermetallic particles of titanium silicides is 0.5 -5 vol. %.
6. Листовой материал по п.1., отличающийся тем, что он выполнен в виде листового проката толщиной до 6 мм. 6. Sheet material according to claim 1, characterized in that it is made in the form of rolled sheets up to 6 mm thick.
7. Компонент выхлопной системы транспортного средства, дли- тельно работающий при высоких температурах и выполненный из листового материала из титанового сплава, отличающийся тем, что он изготовлен из листового материала по любому из пп. 7. A vehicle exhaust system component that operates for a long time at high temperatures and is made of titanium alloy sheet material, characterized in that it is made of sheet material according to any one of claims.
PCT/RU2023/000248 2022-08-22 2023-08-14 Titanium alloy sheet material and exhaust system component WO2024043804A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2022122702A RU2785110C1 (en) 2022-08-22 Sheet material made of a titanium alloy and exhaust system component
RU2022122702 2022-08-22

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2024043804A1 true WO2024043804A1 (en) 2024-02-29

Family

ID=90013684

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2023/000248 WO2024043804A1 (en) 2022-08-22 2023-08-14 Titanium alloy sheet material and exhaust system component

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2024043804A1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7166367B2 (en) * 2004-03-12 2007-01-23 Kobe Steel, Ltd. Titanium alloy having excellent high-temperature oxidation and corrosion resistance
RU2681089C2 (en) * 2017-05-12 2019-03-04 Хермит Эдванст Технолоджиз ГмбХ Titanium-based alloy billet for elastic elements with energy-intensive structure
WO2020075667A1 (en) * 2018-10-09 2020-04-16 日本製鉄株式会社 α+β TYPE TITANIUM ALLOY WIRE AND METHOD FOR PRODUCING α+β TYPE TITANIUM ALLOY WIRE
RU2776521C1 (en) * 2021-07-29 2022-07-21 Публичное Акционерное Общество "Корпорация Всмпо-Ависма" Titanium-based alloy and a product made of it

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7166367B2 (en) * 2004-03-12 2007-01-23 Kobe Steel, Ltd. Titanium alloy having excellent high-temperature oxidation and corrosion resistance
RU2681089C2 (en) * 2017-05-12 2019-03-04 Хермит Эдванст Технолоджиз ГмбХ Titanium-based alloy billet for elastic elements with energy-intensive structure
WO2020075667A1 (en) * 2018-10-09 2020-04-16 日本製鉄株式会社 α+β TYPE TITANIUM ALLOY WIRE AND METHOD FOR PRODUCING α+β TYPE TITANIUM ALLOY WIRE
RU2776521C1 (en) * 2021-07-29 2022-07-21 Публичное Акционерное Общество "Корпорация Всмпо-Ависма" Titanium-based alloy and a product made of it

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9453274B2 (en) Cobalt-base alloy with high heat resistance and high strength and process for producing the same
JP2014058740A (en) Titanium alloy having good oxidation resistance and high strength at high temperature
EP0657558B1 (en) Fe-base superalloy
WO2006014124A1 (en) Titanium-based alloy
JP2023153795A (en) Creep-resistant titanium alloys
WO2010093016A1 (en) Titanium plate
JP2022037155A (en) High temperature titanium alloys
CN113604706B (en) Low-density low-expansion high-entropy high-temperature alloy and preparation method thereof
JP2019218588A (en) Austenite stainless steel sheet and manufacturing method therefor
JP6741876B2 (en) Alloy plate and gasket
JP2019059995A (en) Austenitic stainless steel plate having excellent heat resistance and method for producing the same
RU2776521C1 (en) Titanium-based alloy and a product made of it
WO2024043804A1 (en) Titanium alloy sheet material and exhaust system component
RU2785110C1 (en) Sheet material made of a titanium alloy and exhaust system component
RU2781823C1 (en) Titanium-based alloy and component of the exhaust system
JP2020132919A (en) Heat-resistant alloy and method for producing the same
US20240247341A1 (en) Titanium-based alloy and article manufactured from same
Cornish Platinum-based superalloys: combating high temperatures and aggressive environments
Sikka Intermetallic-based high-temperature materials
JP2021080541A (en) Heat-resistant alloy
RU2772153C1 (en) Creep-resistant titanium alloys
WO2024210770A1 (en) High-strength titanium-based alloy and article manufactured from same
JP2022045612A (en) Titanium alloy, and manufacturing method of the same, and engine component using the same
WO2004087980A1 (en) Stainless steel for use in high temperature applications
Liu et al. Recent advances in alloy design of Ni {sub 3} Al alloys for structural use

Legal Events

Date Code Title Description
DPE2 Request for preliminary examination filed before expiration of 19th month from priority date (pct application filed from 20040101)
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 23857816

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1