Способ получения высокодемпфирующих титановых сплавов

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам титана, обладающим высокими демпфирующими свойствами и хорошей пластичностью при механической обработке для использования их в качестве конструкционных материалов. Способ предусматривает следующие операции: нагрев сплавов на основе титана, содержащих 15,0 - 17,5 мас.% ниобия до закалочной температуры, которая на 30 - 100^oC превышает температуры полиморфного превращения и последующую закалку. 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии, конкретно, к сплавам титана, обладающих комплексом существенных физико-механических свойств, таких как высокая демпфирующая способность, высокая пластичность при механической обработке, достаточная для конструкционных материалов и др.

Демпфирующие сплавы известны. Это, например, чугуны, свинцовые бронзы, сплавы систем: Al-Zn, Al-Sn, Mg-Ni, Mg-Al, Zn-Mn, Cu-Mn, Cu-Al, Al-Cd, и множество других [1].

Все эти сплавы, имея низкие, средние и даже высокие демпфирующие свойства, обладают рядом недостатков, препятствующих или даже исключающих их применение как конструкционных демпфирующих материалов. Одни из них, как, например, сплавы системы Fe-Cr, Cu-Mn имеют сравнительно большой удельный весь, другие, например, Al-Mg и подобные им - имеют низкую конструкционную прочность, третьи, например, сплавы на основе системы Ti-Ni, не могут быть использованы из-за их очень низкой технологичности как на стадии их получения, так и на стадии их механической обработки.

Известно также, что некоторые сплавы не обладают изначально нужными свойствами, или обладают ими лишь частично. До полного выявления этих свойств сплавы должны быть подвергнуты специальной обработке, в частности термической.

Известен способ термической обработки сплавов системы Ti-Ni. Эти сплавы уже изначально обладают демпфирующими свойствами, однако эти свойства проявляются лишь на 60 - 65% от возможного. Для его полного проявления в расчетном диапазоне температур сплав необходимо подвергнуть термической обработке (низкотемпературный отжиг по режиму: 400 - 500^oC за время 30 - 60 мин) [2].

Наиболее близким способом к предложенному является способ получения демпфирующего многокомпонентного титанового сплава, включающий нагрев титанового сплава следующего состава в мас.% Ti -(5,5-6,75)Al-(1-5)V-(1-5)Mo до температуры ниже температур полиморфного превращения не более, чем на 125^oC и его закалку [3].

Предлагаемый способ термической обработки применяется к двухкомпонентному сплаву, что позволяет исключить использование многокомпонентных сплавов с демпфирующими свойствами, включающими в себя часто дефицитные материалы.

Поставленная задача достигается путем проведения термической обработки сплава, содержащего 15 - 17,5% Nb остальное Ti, заключающейся в нагреве сплава на 30 - 100^oC выше температуры его полиморфного превращения (700 - 800^oC) и затем его резкого охлаждения (закалки) в холодную жидкую среду.

Сплав системы Ti-Nb представляет собой твердый раствор ниобия в титане и изначально не обладает демпфирующей способностью. Этому препятствует двухфазное строение сплава (α+β) , где в стабильном состоянии α - фаза занимает до 90% объема сплава, α - фаза представляет собой гексагональную плотноупокованную кристаллическую решетку (ГПУ-решетка), β - фаза титана представляет собой объемноцентрированную кубическую решетку (ОЦК-решетку). Такое строение сплава придает ему определенные свойства: высокое значение модуля нормальной упругости (Е=10500-11500 кг/мм²) и модуля сдвига (G=3300-3700 кг/мм²), а также максимальные значения прочностных характеристик.

Как известно, независимо от природы источника энергетических потерь, демпфирующая способность материала характеризуется относительным рассеянием энергии где ΔW(a) - рассеянная энергия системы за цикл ее деформирования с амплитудой W(a) - амплитудное значение потенциальной энергии системы.

Указанное значение относительного рассеяния энергии за цикл колебаний называют демпфирующей способностью. Кроме того, демпфирующая способность может быть выражена как Ψ = 2δ = 2πQ^-1 , где δ - декремент затухания колебаний.

Q^-1 - внутреннее трение в материале.

Таким образом, чем больше δ или Q^-1, тем выше демпфирующая способность материала. Наличие в сплаве Ti-Nb (в стабильном состоянии) до 90% α - фазы (ГПУ-кристаллическая решетка) и 10% β - фазы (ОЦК-кристаллическая решетка), лишает этот сплав демпфирующей способности. Однако, как показали исследования, 15 - 17,5% ниобия позволяет существенно изменить фазовое строение сплава и, следовательно, его свойства. Это осуществляется с помощью специальной термической обработки, заключающейся в нагреве сплава на 30 - 100^oC выше температуры его полиморфного превращения (780 - 800^oC) и затем его резкого охлаждения (закалки) в холодную жидкую среду. При этом (α+β) - фаза при нагреве полностью переходит в высокотемпературную β - фазу, которая в свою очередь при закалке, являясь нестабильной, превращается в метастабильную мартенситную фазу αʺ титана. При этом она может занимать до 100% объема сплава, т. е. αʺ - фаза титана образуется из высокотемпературной β - фазы, которая при температуре ниже температуры полиморфного превращения является метастабильной. Образовавшаяся αʺ - фаза титана представляет собой искаженную ГПУ-кристаллическую решетку с параметром С=4,65-4,75 и степенью ромбического искажения R=C/A=1,009 - 1,025 (где A - параметр решетки ГПУ).

В таблице 1 представлены данные, показывающие изменение параметров мартенситной αʺ - фазы в зависимости от состава сплава при сохранении одинаковых условий закалки.

Основным физическим методом определения демпфирующей способности любых материалов - является метод измерения логарифмического декремента затухания Q^-1, который характеризует внутреннее трение материала. Декремент затухания вычисляется по данным измерения числа свободных поперечных колебаний образца, соответствующих уменьшению амплитуды колебаний (после отключения возмущений) в е-число раз. Из таблицы 1 следует, что составы сплавов системы титан-ниобий, где содержание ниобия соответствует от 15 до 17 мас.%, имеет наибольшее демпфирующее свойство.

Экспериментально установлено, что метастабильная αʺ - фаза оптимального состава сплава устойчива в интервале температур от -196^oC до +200^oC, в таблице 2, представлены результаты для сплава Ti + 16%Nb.

Установлено, что понижение температуры сплава способствует дополнительному выделению αʺ - фазы, если по объему сплава αʺ - фазы было менее 100%, или увеличивает искажение кристаллической решетки, что улучшает демпфирующие свойства в целом.

Сплав содержащий Ti - 16%Nb после термической обработки имеет высокие прочностные и пластические характеристики: σ_в= 600-650 МПа, δ = 25 - 30%.

Источники информации 1. Бюллетень научно-технической информации Минчермет "Черная металлургия", вып.5(1081), 1989, стр. 8.

2. О.К.Белоусов, Е.В.Качур, И.И.Корнилов "Никелид титана", М., "Наука", 1974.

3. Патент США N 4134758, C 22 G 14/00, 1979.

Формула изобретения

Способ получения высокодемпфирующих титановых сплавов, включающий нагрев сплавов до закалочной температуры и последующую закалку, отличающийся тем, что нагревают сплавы, содержащие 15,0 - 17,5 мас.% ниобия, титан - остальное до температуры, на 30 - 100^oC превышающей температуру полиморфного превращения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2