Способ получения слитка псевдо -титанового сплава, содержащего (4,0-6,0)% аl, (4,5-6,0)% мo, (4,5-6,0)% v, (2,0-3,6)% cr, (0,2-0,5)% fe, (0,1-2,0)% zr

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению слитка псевдо β-титановых сплавов. Осуществляют выплавку алюминотермическим методом комплексной лигатуры, содержащей легирующие элементы, мас.%: молибден 25-27, ванадий 25-27, хром 14-16, титан 9-11, алюминий - остальное, приготовление шихты, содержащей комплексную лигатуру, железо и цирконий в виде технически чистых металлов, выплавку слитка псевдо β-титанового сплава, по крайней мере, двойным переплавом, при этом первый переплав производят в вакуумной дуговой печи или методом гарнисаж - расходуемый электрод, а второй переплав - в вакуумной дуговой печи. Изобретение позволяет получить высокооднородный по химическому составу, легированный тугоплавкими элементами псевдо β-титановый сплав с содержанием алюминия ≤6%, обладающий стабильными высокопрочными свойствами в сочетании с высокой ударной вязкостью. 3 пр.

 

Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно к получению псевдо β-титановых сплавов, содержащих титан, а также легирующие элементы: молибден, ванадий, хром, цирконий, железо и алюминий.

Известны сплавы, в состав которых входят указанные химические элементы (Патенты РФ №2283889 и №2169782). Потребность в данных сплавах была обусловлена тем, что современные тенденции по увеличению габаритно-весовых характеристик коммерческих самолетов повлекли за собой увеличение сечений высоконагруженных деталей, например, таких как шасси. Одновременно значительно возросли требования к материалу, в котором необходимо сочетание высокой прочности и высокой ударной вязкости. В этих конструкциях используются либо высоколегированные стали, либо титановые сплавы. Потенциальные выгоды, получаемые от замены легированных сталей на титановые сплавы, весьма существенны, так как позволяют снизить массу деталей, как минимум в 1,5 раза, снизить коррозионные и эксплуатационные трудности. Но использование титановых сплавов, несмотря на выгодные по сравнению со сталью удельные прочностные свойства, ограничивается технологическими возможностями, в частности сложностью получения равномерных механических свойств, при толщине сечения изделий свыше трех дюймов. Данные сплавы позволяют разрешить это противоречие и могут быть использованы для изготовления широкой номенклатуры изделий ответственного назначения, включая крупногабаритные штамповки и поковки сечением более 150-200 мм, а также полуфабрикаты малого сечения, такие как прутки, плиты толщиной до 75 мм, которые широко используются для изготовления различных деталей авиационной техники, в том числе крепежа.

Существующие способы получения однородного слитка содержащих большое количество тугоплавких β-стабилизаторов, к которым относятся данные сплавы, не полностью отвечают сегодняшним требованиям.

Известно, что, например, α+β - сплав, состоящий из 7% алюминия, 4% молибдена и остальное титан, можно легко получить как однородные по составу, сплавляя Al-Mo лигатуру и губчатый титан. Широко известны схожие двойные и тройные лигатуры, например Al-V, Al-Sn, Al-Mo-Ti, Al-Cr-Mo, с помощью которых, добавляя при необходимости чистые металлы, можно выплавлять любые низко- и среднелегированные титановые сплавы ("Плавка и литье титановых сплавов" Андреев А.Л., Аношкин Н.Ф. и другие. - М.: Металлургия, 1994 г., стр.127, табл.20 [1]).

Однако эти и подобные им лигатуры не позволяют получать высоколегированные сплавы с относительно низким (5%) содержанием алюминия и высоким содержанием тугоплавких, сильно ликвирующих и летучих элементов (Mo, V, Cr, Fe, Zr).

Известна лигатура (Патент РФ №2238344, МПК C22C 21/00, C22C 1/03) для получения титановых сплавов, содержащая алюминий, ванадий, молибден, железо, кремний, хром, цирконий, кислород, углерод и азот, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Ванадий 26-35

Молибден 26-35

Хром 13-20

Железо 0,1-0,5

Цирконий 0,05-6,0

Кремний максимум 0,35

Каждый элемент из группы,

содержащей кислород,

углерод и азот максимум 0,2

Алюминий остальное.

Опытные плавки слитков (двойной вакуумный дуговой переплав (ВДП)) с применением подобной лигатуры позволили получить высоколегированные титановые сплавы, с контролируемым содержанием алюминия и высокой химической однородностью слитка.

Проведенные всесторонние механические испытания выплавленных сплавов выявили их нестабильность свойств и относительно низкую вязкость разрушения, что коренным образом снижает коммерческую ценность данных сплавов и исключает их использование в аэрокосмической промышленности.

Основной причиной этого явилось образование тонких окисных пленок на границах матричных зерен, вызванных наличием кислорода в компонентах шихты, а также, в значительно меньшей степени, влиянием кремния, снижающего пластичность.

Известен способ получения слитков титановых сплавов, включающий приготовление лигатуры, позирование, смешивание и порционное прессование кусковых и сыпучих компонентов из титановой губки, лигатуры и возвратных отходов производства в расходуемый электрод и его дальнейший двойной вакуумно-дуговой переплав или первый переплав - в гарнисажной печи с последующим однократным ВДП (Плавка и литье титановых сплавов. Андреев А.Л. и др. - М.: Металлурги, 1994 г., с.125-128, 188-230) - прототип.

Недостатком известного способа является то, что при выплавке титановых сплавов введение тугоплавких легирующих элементов в виде технически чистых металлов, в частности молибдена, даже при большом измельчении, чревато образованием включений, которые могут сохраняться и при повторном переплаве. Поэтому их вводят в виде промежуточных сплавов - лигатур. Производство данных лигатур, используемых для изготовления титановых сплавов в промышленных масштабах, экономически оправдано только алюминотермическим способом. При этом в комплексной лигатуре присутствует значительное количество кислорода, который суммируется с кислородом, находящимся в других компонентах шихты, а также в остаточной атмосфере вакуумной дуговой печи, и приводит к критическому снижению механических свойств титанового сплава. Кислород поглощается титаном и способствует образованию на границах зерен структур внедрения, имеющих высокую прочность, твердость (может быть в 2 разе выше, чем у титана) и малую пластичность. Специалистам известно, что вязкость разрушения значительно повышается с уменьшением содержания кислорода в титановой матрице.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является возможность получения высокооднородного по химическому составу высоколегированного тугоплавкими элементами псевдо β-титанового сплава с содержанием алюминия ≤6%, обладающего стабильными высокопрочными свойствами в сочетании с высокой ударной вязкостью.

Поставленная задача решается тем, что способ получения слитка псевдо β-титанового сплава, содержащего (4,0-6,0)%Al - (4,5-6,0)% Mo - (4,5-6,0)% V - (2,0-3,6)% Cr - (0,2-0,5)% Fe - (0,1-2,0)% Zr, характеризуется тем, что осуществляют выплавку алюминотермическим методом комплексной лигатуры, содержащей легирующие элементы, мас.%: молибден - 25-27, ванадий - 25-27, хром - 14-16, титан - 9-11, алюминий - основа, приготовление шихты, содержащей комплексную лигатуру, а также железо и цирконий в виде технически чистых металлов, выплавку слитка, по крайней мере, двойным переплавом, при этом первый переплав производят вакуумным дуговым переплавом или методом гарнисаж - расходуемый электрод, а второй переплав - в вакуумной дуговой печи.

Сущность изобретения заключается в обеспечении высокого качества сплава, который строго определяется соотношением легирующих элементов, соответствующих друг другу, гомогенностью и чистотой сплава (отсутствие включений). Высокую прочность данному сплаву обеспечивает в основном β-фаза в силу достаточно широкого набора β-стабилизаторов (V, Mo, Cr, Fe).

Как уже было сказано выше, введение в расплав технически чистых металлов, таких как молибден, в условиях вакуумной дуговой плавки приводит к непроплавлению отдельных кусков и приводит к появлению химической неоднородности. Вследствие этого тугоплавкие металлы вводятся в расплав в составе лигатуры. Опытным путем подобран наиболее оптимальный состав комплексной лигатуры, состоящей из молибдена, хрома, ванадия, алюминия и титана. При содержании основных компонентов в лигатуре меньше нижнего предела не обеспечивается необходимое минимальное содержание алюминия в сплаве 5%, а при содержании основных компонентов больше верхнего предела повышается температура плавления лигатуры и резко снижается ее хрупкость, что затрудняет или делает невозможным дробление, титан вводится для стабилизации термической реакции. Температура плавления данной лигатуры равняется 1760 C°, что значительно меньше температуры в зоне плавки и гарантирует ее полное расплавление.

Цирконий вводится в шихту в виде технически чистого металла, сечением до 20 мм. Известно, что сродство к кислороду у циркония выше, чем у титана. Активность циркония при введении его в расплав в виде технически чистого металла, а не в составе лигатуры, значительно возрастает. Наличие достаточно крупных фракций в составе шихты обеспечивает процесс его взаимодействия с кислородом на необходимый по времени период, препятствующему активному поглощению кислорода титаном. Цирконий способствует перераспределению кислорода с поверхности зерен титановой матрицы и соответственно затрудняет образование в этой зоне структур внедрения (имеющих твердость и малую пластичность). Железо вводится в виде стальной высечки или мелкодробленой стружки.

Следствием этого является неожиданный эффект, заключающийся в высокой вязкости разрушения и высокой прочности сплава.

При наличии в составе шихты большого количества отходов целесообразно первый переплав производить методом гарнисаж - расходуемый электрод. В этом случае гарантируется хорошее усреднение химического состава выплавляемого сплава.

Примеры конкретного осуществления способа

1. Методом двойного вакуумно-дугового переплава изготовлен слиток диаметром 560 мм следующего химического состава:

Al 5.01%

V 5.36%

Мо 5.45%

Cr 2.78%

Fe 0,36%

Zr 0.65%

O 0.177%

Из слитка изготовлены биллеты диаметром 250 мм, проверены свойства. После проведения соответствующей термообработки получены следующие характеристики механических свойств:

Предел прочности 1293 МПа

Предел текучести 1239 МПа

Относительное удлинение 2%

Относительное сужение 4,7%

Вязкость разрушения 66,3 МПа√м

2. Методом двойного вакуумно-дугового переплава изготовлен слиток диаметром 190 мм следующего химического состава:

Al 4,92%

V 5.23%

Мо 5.18%

Cr 2.92%

Fe 0,40%

Zr 1,21%

O 0.18%

Из слитка изготовлены прутки диаметром 32 мм, проверены свойства. После проведения соответствующей термообработки получены следующие характеристики механических свойств:

Предел прочности 1427 МПа

Предел текучести 1382 МПа

Относительное удлинение 12%

Относительное сужение 40%

Вязкость разрушения 52,2 МПа√м

3. Выплавлен слиток двойным переплавом, причем первый переплав выполнен на дуговой гарнисажной печи (метод ГРЭ), второй переплав - в вакуумно-дуговой печи.

Состав шихты для загрузки в тигель дуговой гарнисажной печи:

Два прессованных электрода 48,64% от массы шихты, в которых впрессованы железо и цирконий в виде технически чистых металлов;

Крупногабаритные отходы (темплеты, облой, втулки, штрипс, лента, огарок) 40,9%;

Стружка 10,29%;

Лигатура 0,17% (Химический состав: Mo - 25,83%, V - 26,12%, Cr - 14,71%, Ti - 9,87%, Al - остальное).

После ВДП готовый слиток имеет диаметр 750 мм и следующий химический состав:

Al 4,98%

V 5.14%

Mo 5.05%

Cr 3,04%

Fe 0,43%

Zr 0,58%

O 0.16%

Из слитка изготовлена штамповка. Механические свойства после соответствующей термической обработки следующие:

Предел прочности 1240 МПа

Предел текучести 1180 МПа

Относительное удлинение 11%

Относительное сужение 15%

Вязкость разрушения 53,9 МПа√м

Заявленный способ позволяет получить сплавы, обладающие равномерным и высоким уровнем временного сопротивления и высокой вязкости разрушения.

Способ получения слитка псевдо β-титанового сплава, содержащего (4,0-6,0)% Аl, (4,5-6,0)% Mo, (4,5-6,0)% V, (2,0-3,6)% Cr, (0,2-0,5)% Fe, (0,1-2,0)% Zr, характеризующийся тем, что осуществляют выплавку алюминотермическим методом комплексной лигатуры, содержащей легирующие элементы, мас.%: молибден 25-27, ванадий 25-27, хром 14-16, титан 9-11, алюминий - остальное, приготовление шихты, содержащей комплексную лигатуру, железо и цирконий в виде технически чистых металлов, выплавку слитка псевдо β-титанового сплава, по крайней мере, двойным переплавом, при этом первый переплав производят в вакуумной дуговой печи или методом гарнисаж - расходуемый электрод, а второй переплав - в вакуумной дуговой печи.