Сплав на основе титана

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к созданию современных титановых сплавов, используемых для изготовления высокопрочных и высокотехнологичных изделий, в том числе крупногабаритных, т.е. сплавов, обладающих высокой степенью универсальности. Предложен сплав, содержащий следующие компоненты, мас.%: алюминий - 2,2-3,8, ванадий - 4,5-5,9, молибден - 4,5-5,9, хром - 2,0-3,6, цирконий - 0,1-0,4, железо - 0,01-0,18, углерод - 0,01-0,25, кислород - 0,03-0,25, титан - остальное. Техническим результатом изобретения является создание титанового сплава с повышенной жаропрочностью, обеспечивающего возможность изготовления массивных крупногабаритных деталей с высоким уровнем прочностных и пластических свойств, работающих при повышенных температурах. 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к созданию современных титановых сплавов, используемых для изготовления высокопрочных и высокотехнологичных изделий, в том числе крупногабаритных, т.е. сплавов, обладающих высокой степенью универсальности.

Известен сплав на основе титана следующего химического состава, вес.%: алюминий 2-6, молибден 6-9, ванадий 1-3, хром 0,5-2,0, железо 0-1,5, титан - остальное (а.с. СССР №180351, кл. С 22 С 14/00, публ. 1966).

Этот сплав был предложен для изготовления поковок и штамповок применительно к высоконагруженным конструкционным деталям. Существенным недостатком этого сплава является его склонность к образованию тугоплавких включений при выплавке слитков из-за высокого содержания в нем тугоплавкого элемента - молибдена (>6%). Наличие таких включений в высоконагруженных деталях приводит к разрушению этих деталей при эксплуатации.

Известен титановый сплав, содержащий, вес.%: 4,0-6,3 Аl; 4,0-5,0 V; 1,5-2,5 Мо; 0,8-1,4 Cr; 0,4-0,8 Fe; 0,01-0,08 Zr; 0,01-0,25 С; 0,03-0,25 О; остальное - титан (авт. свид. СССР №555161, кл. С 22 С 14/00, публ. 1977).

Этот сплав обладает высокими прочностными характеристиками, хорошим уровнем пластичности, не склонен к образованию тугоплавких включений.

Недостатком этого сплава является невозможность объемной штамповки его вхолодную в связи с недостаточным уровнем такого показателя технологической пластичности в закаленном состоянии, как степень осадки вхолодную (менее 60%).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является сплав на основе титана, содержащий, мас.%: 2,2-3,8 Аl; 4,5-5,9 V; 4,5-5,9 Мо; 2,0-3,6 Cr; 0,2-0,8 Fe; 0,01-0,08 Zr; 0,01-0,25 С; 0,03-0,25 О; Ti - остальное (патент РФ №2150528, кл. С 22 С 14/00, публ. 2000 г.) - прототип.

Сплав обладает высоким уровнем технологической пластичности в закаленном состоянии, при этом достигается степень осадки в холодном состоянии ≥75%.

Однако известный сплав имеет недостаточно высокий интервал рабочих температур, что ограничивает область его применения как конструкционного материала для изготовления изделий, работающих при повышенных температурах.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является создание титанового сплава с повышенной жаропрочностью, который обеспечивает возможность изготовления массивных крупногабаритных деталей с высоким уровнем прочностных и пластических свойств, работающих при повышенных температурах.

Технический результат, достигаемый при осуществлении заявляемого изобретения, заключается в регламентации оптимального сочетания α- и β-стабилизирующих легирующих элементов в готовом полуфабрикате.

Технический результат достигается тем, что в сплаве на основе титана, содержащем алюминий, ванадий, молибден, хром, железо, цирконий, углерод, кислород, согласно изобретению компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%:

Алюминий 2,2-3,8

Ванадий 4,5-5,9

Молибден 4,5-5,9

Хром 2,0-3,6

Цирконий 0,1-0,4

Железо 0,01-0,18

Углерод 0,01-0,25

Кислород 0,03-0,25

Титан Остальное

Сочетание высокой прочности и технологической пластичности предлагаемого сплава достигается в результате целенаправленного выбора и экспериментальной оценки диапазонов легирования. Содержание α-стабилизирующих элементов (алюминия, кислорода, углерода) и β-стабилизирующих элементов (молибдена, ванадия, хрома, железа) выбрано необходимым и достаточным для достижения поставленной цели. Кроме того, предлагаемый сплав обеспечивает возможность эффективно регулировать в широких пределах уровень прочности сплава в состаренном состоянии.

Регламентация содержания алюминия и хрома в заявленном сплаве обеспечивает высокую способность сплава к объемному деформированию в холодном состоянии (хорошо прокатывается на пруток) и возможность упрочнения сплава термическими методами с получением высокого уровня прочностных и пластических характеристик.

При содержании алюминия и хрома ниже минимальных значений снижается прочность сплава после термического упрочнения (σ_В<1400 МПа), т.е. не достигается решение поставленной задачи.

При содержании алюминия и хрома выше верхнего заявленного предела снижается пластичность сплава (δ<8%, ψ<40%) при высоком уровне прочности (σ_В ≥ 1400 МПа).

Для обеспечения необходимой прочности (≥1150 МПа) после закалки и старения, а также для возможности осуществлять процесс закалки на воздухе, а не в воде, содержание элементов V и Мо установлено ≥4,5%.

Содержание V и Мо принято не более 5,9% ввиду опасности существенного усиления ликвационной неоднородности и возникновения дефектов при использовании тугоплавких лигатур.

Поскольку увеличение содержания V и Мо, как уже сказано, выше 5,9% не рекомендуется, то для дальнейшего (сверх 1150 МПа) увеличения прочностных характеристик (после закалки и старения) вводятся умеренные добавки Сr (2,0-3,6%) и Fe (до 0,18%) в тех пределах, которые не приводят к появлению заметной дендритной или зональной ликвации.

В предлагаемом сплаве по сравнению с прототипом уменьшено содержание железа, имеющего значение коэффициента распределения существенно менее единицы, что предопределяет склонность железа к ликвации, которая усугубляется с увеличением размера слитка и изделия.

Количество циркония в сплаве от 0,1 до 0,4% обеспечивает повышение предела прочности без снижения технологичности металла при горячей (не увеличивает напряжение течения) и холодной (не снижает ресурса пластичности) деформации. При этом, стабилизируя α-фазу, цирконий повышает сопротивление ползучести и жаропрочность.

Введение циркония более 0,4% значительно снижает технологическую пластичность сплава при холодном деформировании.

Диапазоны легирования цирконием и железом выбраны на основе экспериментальной оценки механических свойств сплава в предлагаемой области композиций. Содержание циркония от 0,1 до 0,4% и железа до 0,18% обеспечивает увеличение предела прочности сплава в закаленном и состаренном состоянии.

Предлагаемое сочетание компонентов сплава и их процентное соотношение в комплексе обеспечивает возможность деформирования сплава в более широком диапазоне температур и получения изделий объемной деформацией вхолодную.

Для исследования свойств сплава были выплавлены в вакуумной дуговой печи методом двойного переплава слитки следующих составов заявляемого сплава (см. табл. 1).

Из каждого слитка были изготовлены прутки диаметром 50 мм. Прутки подвергнуты термической обработке на высокую прочность. Механические свойства прутков при комнатной температуре приведены в табл. 2.

Результаты испытаний показывают, что изделия (прутки диаметром 50 мм) из заявленного сплава на основе титана обладают высоким уровнем технологической пластичности в закаленном состоянии, при этом достигается степень осадки вхолодную >75% в сочетании с высокой прочностью, получаемой в результате последующего старения (σ_В>1500 МПа).

Кроме того, заявляемый сплав обладает более высоким диапазоном рабочих температур (на 10-15°С выше, чем у сплава - прототипа), что дает возможность использовать его не только при изготовлении головок болтов способом холодной высадки, при накатке резьбы вхолодную, при изготовлении витых пружин, но и для изготовления крупногабаритных полуфабрикатов сечением до 60 мм.

Формула изобретения

Сплав на основе титана, содержащий алюминий, ванадий, молибден, хром, железо, цирконий, углерод, кислород, отличающийся тем, что компоненты сплава взяты в следующем соотношении, мас.%:

Алюминий 2,2-3,8

Ванадий 4,5-5,9

Молибден 4,5-5,9

Хром 2,0-3,6

Цирконий 0,1-0,4

Железо 0,01-0,18

Углерод 0,01-0,25

Кислород 0,03-0,25

Титан Остальное