Сплав на основе ниобия и способ его получения

 

Предлагается сплав на основе ниобия, который содержит ниобий, титан, алюминий, ванадий, цирконий и углерод при следующем соотношении компонентов, мас. % : титан 29 - 32,5; алюминий 6,7 - 7,7; ванадий 2 - 4; цирконий 0,5 - 1,5; углерод 0,07 - 0,15; ниобий остальное. Новым в составе сплава является то, что он дополнительно содержит углерод в количестве 0,07 - 0,15 мас. % . Предлагается способ получения этого сплава, включающий плавку, деформацию, отжиг, старение и механико-термическую обработку. Новым в предлагаемом способе является то, что перед старением проводят отжиг при 930 - 1000С в течение 1 - 5 ч, а после старения ведут механико-термическую обработку в вакууме или в инертной среде при 500 - 700*03С в течение 20 - 100 ч под напряжением, обеспечивающим кратковременную остаточную деформацию 0,1 - 0,3 от величины равномерного удлинения при этих температурах. Предлагаемый сплав и способ его получения позволяют повысить надежность и сроки эксплуатации деталей и изделий за счет уменьшения чувствительности к концентраторам нгапряжения. 2 с. п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к металлургии сплавов, а именно сплавов на основе ниобия, предназначенных для работы в окислительных условиях при повышенных температурах в узлах и деталях авиакосмической техники.

Известен сплав ВН7, содержащий ниобий, титан и алюминий при соотношении ингредиентов, мас. % : титан 40-45; алюминий 5-7; ниобий остальное [1] .

Известен способ получения этого сплава, включающий выплавку, деформацию слитка при температурах 1050-1100^оС, повторную деформацию при температурах 1000-1050^оС и отжиг [1] .

Однако, известный сплав после получения по известному способу имеет структуру β-твердого раствора и характеризуется невысокой прочностью (σ_в²⁰ = 650-700 МПа, σ_в⁷⁰⁰= 190-210 МПа). Он не способен работать в тяжело нагруженных деталях и обычно используется не самостоятельно, а в качестве жаростойкой плакировки на ниобиевых сплавах.

Известен сплав системы ниобий-титан-алюминий, содержащий также гафний при соотношении ингредиентов, ат. % (мас. % ): Титан 32-45 (18,4-29,3) Алюминий 3-18 (2-6,6) Гафний 8-15 (17,1-36,4) Ниобий Остальное [2] Известен способ получения этого сплава, включающий производство порошка методами быстрой кристаллизации и последующее его компактирование (горячее изостатическое прессование) [2] .

Однако, этот сплав после получения по известному способу также имеет структуру β-твердого раствора, поэтому его прочностные свойства при комнатной и умеренных температурах невысоки (σ_в²⁰ = 882 МПа, σ_в⁷⁶⁰= 517 МПа). Кроме того, легирование гафнием утяжеляет сплав (γ = 6,57 г/см³).

Известен сплав, содержащий ниобий, титан, алюминий, а также ванадий и цирконий при следующем соотношении компонентов, мас. % : Титан 29-32,5 Алюминий 6,7-7,7 Ванадий 2-4 Цирконий 0,5-1,5 Ниобий Остальное [3] - прототип (ТУ1-809-317-87).

Известен способ получения этого сплава, включающий выплавку, деформацию и старение [3] .

Известный сплав после получения по известному способу обладает комплексом свойств, позволяющих рассматривать его в качестве перспективного материала для аэрокосмической техники. Он легок (γ≅ 5,9 г/см³), жаростоек (V4= 0,5 г/м²x ч), подвержен термоупрочнению, в термоупрочненном состоянии высокопрочен (σ_в²⁰≥ 1050 МПа), характеризуется высоким уровнем и стабильностью механических свойств при температурах до 700^оС вклю-чительно (σ_в⁷⁰⁰≥ МПа, σ₁₀₀⁶⁰⁰ ≈ 600 МПа, σ₁₀₀⁷⁰⁰ ≈ 300 МПа).

Однако, известный сплав обладает повышенной чувствительностью к концентраторам напряжений при длительной работе в агрессивных (окислительных) средах. Например, при испытаниях на воздухе при температуре 600^оС предел длительной прочности за 100 ч, определенный на образцах в надрезом, составляет только 40% от аналогичной характеристики, определенной на гладких образцах. При температуре 700^оС это соотношение равняется 60% . С повышенной чувствительностью к надрезу связаны случаи досрочного разрушения образцов известного сплава, поэтому в деталях и конструкциях ответственного назначения его не рекомендуется использовать.

Предлагается сплав на основе ниобия, содержащий титан, алюминий, ванадий, цирконий и углерод при следующем соотношении компонентов, мас. % : Титан 29-32,5 Алюминий 6,7-7,7 Ванадий 2-4 Цирконий 0,5-1,5 Углерод 0,07-0,15 Ниобий Остальное [4] .

Отличие предложенного сплава от известного заключается в том, что сплав дополнительно содержит углерод при следующем содержании компонентов, мас. % : Титан 29-32,5 Алюминий 6,7-7,7 Ванадий 2-4 Цирконий 0,5-1,5 Углерод 0,07-0,15 Ниобий Остальное Предлагается способ получения сплава, включающий плавку, отжиг при температуре 930-1000^оС в течение 1-5 ч, старение и механико-термическую обработку в вакууме или в инертной среде при 500-700^оС в течение 20-100 ч под напряжением, обеспечивающим кратковременную остаточную деформацию 0,1-0,3 от величины равномерного удлинения при этих температурах.

Предлагаемый сплав и способ его получения позволяют повысить сроки эксплуатации и надежность деталей и изделий за счет уменьшения чувствительности к концентраторам напряжений. При этом дополнительное введение углерода затрудняет проникновение кислорода в объемы, где происходит пластическое и микропластическое течение (в зоны у поверхности образца, у вершины надреза, впереди растущей трещины), повышает когезивную прочность материала. Проведение отжига перед старением способствует снижению интенсивности насыщения кислородом в процессе эксплуатации за счет создания более совершенной кристаллизованной структуры. Проведение механико-термической обработки вызывает деформационное старение и таким образом затрудняет локальное пластическое течение в критических зонах в процессе эксплуатации.

Для получения сплава брали его ингредиенты (ниобий НБШ-00, титан ВТ1-00, алюминий АД1-00, иодидный цирконий, электролитический ванадий, графитовую ткань) в соотношениях, отвечающих предлагаемому сплаву, запредельным составам и сплаву-прототипу.

Ингредиенты сплава переплавляли методом ГРЭ+ВДП в слитки диаметром 115 мм.

Предлагаемый сплав получали по предлагаемому способу: после плавки слитки деформиpовали на пруток прессованием (t_пр = = 1200^оС, ε = 77% , = 0,2-0,3 с^-1) и сортовой прокаткой (t_пр = 1100^оС, ε = 92% , = 2-3 с^-1), прутки отжигали, затем выполняли старение по режиму 800^оС, 25 ч, после которого проводили механико-термическую обработку. Отжиг выполняли на воздухе в печах сопротивления по режимам 930^оС, 5 ч; 950^оС 3 ч; 1000^оС 1 ч; 900^оС 7 ч и 1020^оС 0,5 ч.

Отжиг выполняли на воздухе в печах сопротивления по режимам 930^оС 5 ч; 950^оС 3 ч; 1000^оС 1 ч; 900^оС 7 ч и 1020^оС 0,5 ч.

Механико-термическую обработку проводили в вакууме в установке для длительных жаропрочных испытаний. Операция заключалась в выдержке материала при повышенной температуре в течение определенного времени под напряжением. Температурно-временные режимы МТО-500^оС 20 ч, 600^оС 50 ч и 700^оС 100 ч - отвечали предлагаемому способу получения, а 450^оС 15 ч и 750^оС 108 ч - его запредельным вариантам.

Для определения потребного напряжения МТО проводили предварительные испытания контрольных образцов на растяжение при температуре последующей механико-термической обработки с записью диаграмм "напряжение-деформация". По диаграмме графически определяли величины напряжений, обеспечивающих деформацию 0,1-0,3 от величины равномерного удлинения.

Потребные напряжения для гладких образцов составляют: при 500^оС - 1200 МПа, что обеспечивает кратковременную остаточную деформацию 0,1 от величины равномерного удлинения; при 600^оС - 1120 МПа, что обеспечивает кратковременную остаточную деформацию 0,2 от величины равномерного удлинения; при 700^оС - 1060 МПа, что обеспечивает кратковременную остаточную деформацию 0,3 от величины равномерного удлинения.

При механико-термической обработке образцов с надрезом с учетом концентрации напряжений у вершины надреза (К ≈ 4) для обеспечения такой же остаточной деформации, что на гладких образцах, напряжения были уменьшены в 4 раза.

Составы сплавов и способы их получения сведены с таблицу. Предлагаемому способу и способу его получения соответствуют пп. 1-3, запредельным составам и режимам получения - пп. 4 и 5.

Сплав, взятый в качестве прототипа, получали по известному способу, т. е. после плавки проводили деформацию (прессование с последующей сортовой прокаткой на пруток диаметром 14 мм) и старение по режиму 800^оС 25 (п. 6 таблицы).

Подготовленный описанным путем материал для оценки его надежности в эксплуатации испытывали на длительную прочность при температурах предлагаемой эксплуатации 600 и 700^оС. В процессе испытаний оценивали чувствительность к концентраторам напряжений, для чего сопоставили результаты испытаний гладких образцов по ГОСТ 10145-81 (диаметром в рабочей части 5 мм, с расчетной длиной 25 мм) и образцов с надрезом по ОСТ 90294-80 (диаметр в надрезе 5 мм, вне надреза - 7 мм, угол раскрытия вершины надреза - 60^о, радиус вершины надреза - 0,15 мм). Результаты испытаний приведены в таблице.

Как видно из данных таблицы, чувствительность к концентраторам напряжений при длительной работе на воздухе при повышенных температурах у сплава предлагаемого состава при предлагаемом способе его получения существенно (в 2 и более раз) снижена по сравнению со сплавом-прототипом, полученным по известному способу. При этом повышается надежность конструкций, и как следствие, увеличиваются сроки их эксплуатации.

Таким образом, результаты испытаний показали, что предлагаемый сплав и способ его получения позволят использовать весьма перспективный легкий, высокопрочный, жаропрочный и жаростойкий материал в аэрокосмических деталях ответственного назначения. (56) 1. ТУ 1-809-307-88 "Сплавы ниобиевые деформируемые марок ВН2АЭМ, ВН3, ВН4 и ЛН1".

2. Патент США N 4956144, кл. С 22 С 30/00, 1990.

3. ТУ-1-809-317-87 "Сплав титан-ниобиевые марки ВН-10".

4. Сборник "Металловедение и термическая обработка титановых и жаропрочных сплавов". М. : ВИЛС, 1991, с. 358-365.

Формула изобретения

1. Сплав на основе ниобия, содержащий титан, алюминий, ванадий и цирконий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит углерод при следующем отношении компонентов, мас. % : Титан 29 - 32,5 Алюминий 6,7 - 7,7 Ванадий 2 - 4 Цирконий 0,5 - 1,5 Углерод 0,07 - 0,15
Ниобий Остальное
2. Способ получения сплава на основе ниобия, включающий плавку, деформацию и старение, отличающийся тем, что перед старением проводят отжиг при 930 - 1000^oС в течение 1 - 5 ч, а после старения ведут механико-термическую обработку в вакууме или инертной среде при 500 - 700^oС в течение 20 - 100 ч под напряжением, обеспечивающим кратковременную остаточную деформацию 0,1 - 0,3 от величины равномерного удлинения при этих температурах.

РИСУНКИ

Рисунок 1