Материал на основе титана

 

Материал предназначен ддля применения в качестве конструкционного материала для деформирования в сверхпластичном состоянии. Материал содержит, мас. %: алюминий 0,01-6,0; ванадий 0,01-5,0; диборид циркония 0,2-2,5; титан остальное. Размер зерна материала равен 0,3-1,0 мкм. Материал на основе титана имеет температуру сверхпластической обработки на 100-150°С ниже, чем у лучших зарубежных аналов. Свойства сплава следующие: σ¹_в⁰= 920-1150 МПа, δ^o = 3-12% ; σ⁶_в⁰⁰ = 40-280 МПа; δ⁶⁰⁰= 50-550%. 1 табл.

Изобретение относится к конструкционным материалам на основе титана, предназначенным для деформирования в сверхпластичном состоянии.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является сплав Ti-9V-3Al-2Mo. Введение молибдена в матрицу, содержащую алюминий и ванадий, позволяет стабилизировать размер зерен при высоких температурах и снизить температуру сверхпластической обработки до 700-750^оС. Однако такое понижение температуры сверхпластической обработки не в полной мере устраняет недостатки присущие предыдущему решению.

Целью изобретения является снижение энергетических и материальных затрат при сверхпластической обработке конструкционного материала на основе титана путем снижения температуры сверхпластической обработки.

Поставленная цель достигается тем, что в матрицу титанового сплава, содержащую 0,01-6 мас. алюминия и 0,01-5 мас. ванадия, вводят диборид циркония в количестве 0,2-2,5 мас. а размер зерна матрицы выдерживается в диапазоне 0,3 1,0 мкм. Такое соотношение содержания диборида циркония и параметров структуры достигается при получении материала методом раздельного электронно-лучевого испарения матричного сплава и борида и совместной их конденсации в вакууме.

Указанные пределы изменения концентраций и структурных параметров выбраны из следующих соображений. В матричном сплаве нижний предел Al и V на уровне их примесного содержания указан с учетом того, что введение дисперсных частиц даже в нелегированный титан существенно повышает его физико-механические свойства и такой материал может рассматриваться как конструкционный. Более глубокое рафинирование по алюминию и ванадию технически не оправдано и экономически нецелесообразно. Верхний предел по алюминию ограничивает область пластичности титановых сплавов, а превышение верхнего предела содержания ванадия приводит к исчезновению эффекта сверхпластичности.

Оптимальная область концентраций ZrB₂ установлена экспериментально. Выход за ее нижний или верхний пределы приводит к исчезновению сверхпластичности. Кроме того, превышение верхнего предела приводит к окручиванию материала. Увеличение размера зерна выше верхнего значения также приводит к потере сверхпластичности. Нижний предельный размер зерна соответствует минимально достижимому при данном методе получения.

Сверхпластичные материалы на основе титана получали на установках УЭ-366М конструкции ИЭС им. Е.О. Патона. Исходными материалами для получения конденсатов Ti-0.01Al-0.01V-ZrB₂, Ti-3Al-0.01V-ZrB₂, Ti-6Al-5V-ZrB₂, Ti-8Al-0.01V-ZrB₂, Ti-0.01Al-7V-ZrB₂ были титановая губка ТГ-90, гранулированный алюминий марки ЧДА, промышленный сплав ВТ-6 и порошок диборида циркония марки Ч. Металлические материалы подвергались электронно-лучевому переплаву, а порошок ZrB₂ прессовался в штабики ⊘ 70 мм высотой 40 мм. Паровые потоки сплава и ZrB₂совместно осаждали на стальную подложку, которая сканирующим электронным лучом подогревалась до определенной температуры. В результате получали пластину конденсированного материала с габаритами 360 х 250 х 0,5 1,5, причем вдоль пластины наблюдался градиент концентрации, а также обусловленное им изменение размера зерна матричного сплава. Изменение параметров испарения и конденсации позволило изменять параметры структуры в различных экспериментах.

Механические свойства измеряли на образцах с размерами рабочей части 3 х 10 мм. Образцы вырезались таким образом, чтобы в пределах шейки градиент концентрации и размеров зерна практически не ощущался. Растяжение осуществлялось при 20^оС на воздухе и при 60^оС в вакууме со скоростью нагружения 1,7˙10^-3 с во всех случаях.

Размер зерна определяется на оптическом микроскопе "Polyvar-Met" и электронном микроскопе JSEM-200 в режиме просвечивания. Результаты исследований представлены в табл. 1. Заметим, что без введения ZrB₂размер зерна ≈ 1 мкм получить не удалось. Кроме того, диффузионные процессы при конденсации не позволили получить размер зерен менее 0,3 мкм и в случае введения диборида циркония.

Как следует из приведенных в таблице данных, при определенных режимах обеспечивается получение конденcиpованных материалов с субмикронными размерами зерна и заданным диапазоном концентраций ZrB₂. При конденсации ZrB₂ 0,2 2,5% и размере зерна 0,3 1 мкм такие материалы обладают сверхпластичностью при температуре 600^оС (относительное удлинение >> 100%). В то же время они обладают достаточной прочностью и пластичностью и могут рассматриваться как конструкционные. Вне предложенных диапазонов концентраций и структурных параметров материалы сверхпластичностью не обладают.

Таким образом, предлагаемый в заявке конструкционный материал имеет температуру сверхпластической обработки на 100-150^оС ниже, чем у лучших зарубежных аналогов.

Кроме непосредственного выигрыша за счет снижения энергетических затрат при сверхпластической обработке с использованием ее традиционных для титановых сплавов схем с защитой от окисления, при достигнутой температуре сверхпластической обработки система Ti-Al-V-ZrB₂ при верхних граничных содержаниях Al и V защиты от окисления не требует. Деформирование может осуществляться на воздухе что даст еще больший экономический эффект за счет отказа от дорогостоящего оборудования и упрощения технологии.

Формула изобретения

МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ ТИТАНА, содержащий алюминий и ванадий, отличающийся тем, что, с целью снижения температуры сверхпластической обработки, он дополнительно содержит диборид циркония при следующем соотношении компонентов, мас.

Алюминий 0,01 6,0 Ванадий 0,01 5,0 Диборид циркония 0,2 2,5 Титан Остальное, а размер зерна материала составляет 0,3 1,0 мкм.

РИСУНКИ

Рисунок 1