Сплав на основе титана

 

Изобретение относится к сплавам на основе титана, которые обладают повышенной технологической пластичностью и обеспечивают необходимый уровень сверхпроводящих свойств, при этом имеют меньший удельный вес и содержат меньшее количество дефицитных металлов. Сплав на основе титана содержит водород и β -стабилизаторы при следующем содержании компонентов, атом.%: Ti - основа, b -стабилизаторы (4 - 40%), водород - (3 - 25%). 2 табл.

Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к созданию сплава, обладающего сверхпроводящими свойствами.

В настоящее время сплавы системы Ti-Nb, Ti-Tа применяются как сверхпроводящие материалы.

Известен сплав с высоким содержанием ниобия: Ti основа, Nb 46 ат. [1] Этот сплав имеет достаточную технологическую пластичность и хорошие сверхпроводящие свойства. Основными недостатками этого сплава являются высокое содержание дефицитного ниобия и большой удельный вес сплава, что приводит к увеличению удельного веса конструкций сверхпроводника.

Известен сплав на основе титана, легированный несколькими β-стабилизаторами: Nb 30 ат. Zr 10, Та 10 ат. [2] Этот сплав обладает хорошими технологическими и сверхпроводящими свойствами. Однако удельный вес и стоимость его значительно выше сплава Ti 46 ат. Nb.

Целью изобретения является разработка сплава на основе титана, который обладал бы повышенной технологической пластичностью и обеспечивал необходимый уровень сверхпроводящих свойств и при этом имел бы меньший удельный вес и содержал меньшее количество дефицитных металлов.

Это достигается тем, что известный сплав на основе титана дополнительно содержит водород при следующем содержании компонентов, атом.

Ti основа β стабилизаторы (40-49%) Водород (3-25).

В результате введения водорода стабилизация β -фазы происходит при более низком содержании основных β -стабилизаторов (Nb, Tа и др.), т.к. водород в титановых сплавах оказывает β -стабилизирующее действие. Это приводит к повышению технологической пластичности сплавов на основе титана с меньшим содержанием основных β-стабилизаторов.

При введении водорода в сплавы на основе Ti с β -стабилизаторами необходимо учитывать коэффициент β -стабилизации, т.к. лучшие технологические свойства имеют сплавы с коэффициентом β-стабилизации К_β 0,8-1,4 (без учета водорода).

Если коэффициент β -стабилизации К_β< 0,8, то при закалке данных сплавов образуются α и ω-фазы, что резко снижает технологическую пластичность. Чтобы стабилизировать в данных сплавах β -фазу, необходимо введение водорода в количестве более 25 ат. что приводит к опасности образования гидридов при пластической деформации, вызывающих охрупчивание сплавов.

В сплавах Ti-β -стабилизатор, которые имеют К_β > 1,4 β -фаза стабильна, и поэтому нет необходимости введения водорода. Однако эти сплавы содержат большое количество дефицитных и тяжелых металлов, что обуславливает их дороговизну и значительный удельный вес.

Оптимальное содержание водорода в сплавах с К_β 0,8-1,4 составляет 3-25 ат. Такое содержание водорода приводит к стабилизации β -фазы в данных сплавах при закалке и устраняет возможность образования α'' и ω -фаз при деформации и термической обработке, это позволяет избежать охрупчивания сплавов и дает возможность изготовлять тонкие сверхпроводники. Кроме того введение водорода, приводящее к стабильности β -фазы при более низком содержании β-стабилизаторов, уменьшает вес сверхпроводников, что имеет также большое значение.

Введение водорода в сплавы Ti-β -стабилизатор в количестве менее 3 ат. не обеспечивает стабильности β -фазы при меньшем содержании β-стабилизаторов. При содержании водорода более 25 ат. в сплавах Ti-β -стабилизатор возможно образование гидридов, которые вызывают охрупчивание сплава.

П р и м е р. Методом пятикратного переплава были изготовлены пять составов предлагаемого сплава: сплав I легирован по нижнему пределу, сплав II по среднему составу, сплав III по верхнему пределу, сплав IV легирован водородом менее нижнего предела, сплав V легирован водородом выше верхнего предела, сплавы VI и VII известные сплавы.

Химический состав плавок приведен в табл.1.

Полученные слитки весом 0,5 кг разрезали на заготовки, которые подвергали горячей ковке на пневматическом молоте при температуре 900^оС в обжимках на прутки диаметром 18 мм. Прутки обтачивали на токарном станке до диаметра 15 мм и разрезали на цилиндры длиной 150-180 мм. Насыщение образцов водородом проводили в установке Сивертса из газообразной среды при давлении водорода до 0,8 атм и температуре 800^оС. Количество введенного водорода определяли по изменению его давления в системе с известным объемом и контролировали по привесу. Взвешивание проводили на аналитических весах ВЛА-200М с абсолютной погрешности не выше 0,0001 г.

После наводороживания заготовки помещали в медную оболочку, проводили гидроэкструзию при температуре 350-400^оС с коэффициентом вытяжки 10, далее подвергали холодной пластической деформации (волочение, с коэффициентом вытяжки 10). Окончательная термическая обработка проводилась при температуре 300^оС в течение 50 ч. Результаты определения плотности, технологической пластичности сплавов, а также результаты испытаний характеристик сверхпроводимости представлены в табл.2.

Для всех исследуемых составов сплавов определялась стоимость получения прутков диаметром 15 мм, в которой учитывались стоимость шихты, затраты на производство прутиков. Кроме того, в стоимость сплавов, содержащих водород, входят затраты на наводороживающий отжиг и стоимость гидридов, необходимых для процесса наводороживания.

Одним из необходимых и обязательных условий получения сверхпроводников является высокая технологическая пластичность при холодной пластической деформации. Предлагаемые сплавы обладают хорошей технологической пластичностью: величина вытяжки при холодном волочении составляет более 13200. Сплавы с запредельным содержанием легирующих элементов разрушались в процессе деформации и получение тонкой (диаметром 0,2 мм) проволоки невозможно.

Наиболее важным свойством сверхпроводников является критический ток. Для всех исследуемых сплавов была определена величина критического тока при температуре жидкого гелия в магнитном поле напряженностью 4 Тл. Предлагаемые сплавы имеют величину критического тока на 2-13% больше, чем у сплавов известных составов.

Кроме того, методом гидростатического взвешивания была определена плотность исследуемых сплавов, из табл.2 отчетливо видно, что плотность, а следовательно, и удельный вес предлагаемых сплавов снижен на 10-12% Таким образом оптимальным сочетанием свойств, т.е. хорошей технологической пластичностью меньшим удельным весом и стоимостью при хороших сверхпроводящих свойствах обладают сплавы на основе титана с 4-40% β -стабилизаторов, дополнительно легированные водородом от 3 до 25%

Формула изобретения

СПЛАВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА, содержащий β- стабилизаторы, отличающиеся тем, что он дополнительно содержит водород при следующем соотношении компонентов, ат.%: β- Стабилизаторы - 4 - 40 Водород - 3 - 25 Титан - Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2