Способ получения инварных сплавов

 

Изобретение относится к способам получения в сплавах титана инварных свойств. Способ заключается в термомеханической обработке сплавов, содержащих 50 - 66 мас.% тантала, титан - остальное, которая включает в себя закалку из β - области, деформацию на 5 - 7% при комнатной температуре и нагрев до температуры обратного мартенситного превращения. Применение заявленного способа позволяет получить значение температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) в пределах 1 x 10^-6K^-1, что соответствует лучшим образцам суперинваров.

Изобретение относится к области металлургии, в частности, к способам получения на сплавах титана инварных свойств. Изобретение может быть использовано в радиоэлектронной технике, метрологии, для соединения с диэлектриками.

С развитием радиоэлектроники потребовались металлические сплавы с минимальным температурным коэффициентом расширения на неферромагнитной основе, т.е. сплавы, не испытывающие магнитных превращений.

Ферромагнетизм инварных сплавов на железоникелевой основе не позволяет использовать эти материалы в приборах, где магнитное поле, наводимое остаточным ферромагнетизмом, является недопустимым. Поэтому возникла необходимость разработки сплавов с минимальным коэффициентом температурного расширения, не испытывающих магнитного превращения.

Известно, что основой немагнитных сплавов инварного класса является хром. Легирование хрома небольшими добавками Fe, Mn, Re, Ru, Ta, La дает возможность получить сплавы с низким значением ТКЛР. Однако хром и сплавы на его основе являются хрупкими, что не позволяет проводить пластическую деформацию. Поэтому изготовление из хромовых сплавов деталей, обладающих инварными свойствами, весьма затруднительно, а часто и невозможно (см. Прецизионные сплавы. Справочное издание/ Под ред. Молотилова Б.В. - М.: Металлургия, 1983, с. 249).

Известные сплавы на основе титана 72ТФ, 75ТМ легированные ванадием и молибденом в больших количествах (до 30%) имеют устойчивые однофазный β - -твердый раствор с ОЦК - структурой от комнатной температуры до температуры плавления. Значения термического коэффициента линейного расширения (ТКЛР) высоколегированных сплавов 72ТФ, 75ТМ, составляет (8-10)х 10^-6К^-1, что совпадает со значениями платины и платинита. Эти значения являются относительно высокими, что не удовлетворяет требованиям новой техники. Вышеуказанные способы получения немагнитных сплавов инварного класса предусматривают легирование основы небольшими добавками (см. Прецизионные сплавы. Справочное издание/ Под ред. Молотилова Б.В. - М.: Металлургия, 1983, с. 255-256). Наиболее близкого аналога выявлено не было.

Задачей изобретения является способ получения более низких значений ТКЛР на немагнитных сплавах титана.

Более низкие значения ТКЛР достигаются за счет выбора легирующих элементов, их количества и соответствующей термомеханической обработки, обеспечивающих низкие значения ТКЛР в широком интервале температур.

Поставленная задача решается способом получения инварных сплавов, содержащих 50-66 мас% тантала, титан - остальное, который включает в себя закалку из β - области, деформацию на 5-7% при комнатной температуре и нагрев до температуры обратного мартенситного превращения.

При закалке сплавов титана с Ta из однофазной высотемпературной β - области образуется αʺ- мартенсит в широкой области изменения состава. Эта структура с орторомбической кристаллической решеткой является сложной по своему строению. С целью достижения на сплавах титана инварных свойств, сплавы должны иметь в исходном состоянии αʺ+β - структуру, по составу близкую к сплавам с однофазной метастабильной β - структурой. Структура αʺ - мартенсита в системе Ti-Ta, образованная при закалке с 900^o-1000^oC в воду, по сравнению с другими β - изоморфными легирующими элементами, термически более устойчива к распаду. Для достижения на сплавах системы Ti-Ta инварных свойств необходима последующая деформация на 5-7% (растяжка, прокатка и др.) при комнатной температуре, которая вызывает в указанной метастабильной структуре образование мартенсита деформации. Деформация протекает при относительно малых усилиях (низкий предел текучести, большая площадка текучести). Поэтому кристаллическая решетка мартенсита деформации строго ориентирована в направлении деформирующих усилий и сохраняет когерентную связь с исходной структурой αʹ- мартенсит с ГПУ решеткой и метастабильный β- твердый раствор с ОЦК решеткой). Деформированный сплав с указанной нестабильной структурой нагревают до температуры обратного мартенситного превращения, что составляет ≈ 200^oC. При нагреве, в ходе обратного мартенситного превращения структура αʺ- мартенсита деформации и сама деформация возвращаются на 30-40% к исходному состоянию. Затем сплав охлаждается до комнатной температуры. В процессе охлаждения в сплаве протекает прямое β→αʺ - превращение, с образованием αʺ- мартенсита, идущего с увеличением объема и таким образом компенсирующего объемные изменения сплава при охлаждении. Повторный нагрев вызывает объемные и структурные изменения в обратном направлении. Таким образом, при нагреве и охлаждении в интервале температур от -100^oC до +200^oC сплавы системы Ti-Ta с указанной структурой проявляют инварные свойства.

Проведенные исследования показали, что материалы с уникальными инварными свойствами могут быть получены в сплавах системы Ti-Ta. Для этого выбирается состав сплава этой системы таким образом, чтобы получить 2-фазную структуру: термоупругий αʺ- мартенсит плюс метастабильный, с неустойчивой ОЦК структурой β- твердый раствор,( αʺ+β_мет.) который при последующей деформации на 5 - 7% дает возможность получить дополнительно структуру мартенсита деформации (αʺ), ориентированного в направлении деформирующих усилий. Деформация 5-7% протекает при низком пределе текучести и большой площадке псевдотекучести. При деформации меньше чем 5% деформация осуществляется путем образования мартенсита деформации. При деформации больше, чем 7%, деформация идет по обычному дислокационному механизму.

Дилатометрический анализ сплавов системы Ti-Tа проводили на дилатометрах серии DL-1500 японской фирмы "Ульвах - Синку - Рико".

Расчет температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) -α проводили по формуле: где dl - изменение размера образца; ΔT - интервал температур исследования.

Пример реализации изобретения.

Закаленный сплав, содержащий 66 мас.% тантала, титан - остальное, деформировали на 5-7% при комнатной температуре. Деформированный сплав подвергался нагреву и охлаждению от комнатной температуры до 360^oC на протяжении 7 циклов. Во всех циклах наблюдались обратимые изменения длины образца. Последующие нагрев и охлаждение после снятия обратимой "памяти" формы от комнатной температуры до 100^oC показали, что размеры образца практически не изменились. При повышении температуры от 20^oC до 150^oC ТКЛР находится в пределах 1·10^-6К^-1, что соответствует лучшим образцам суперинваров.

Формула изобретения

Способ получения инварных сплавов, содержащих 50 - 66 мас.% тантала, титан - остальное, заключающийся в том, что сплавы закаливают из β-области, деформируют на 5 - 7% при комнатной температуре и нагревают до температуры обратного мартенситного превращения.