Сплав на основе титана
Владельцы патента RU 2269584:
Открытое акционерное общество "Корпорация ВСМПО-АВИСМА" (RU)
Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам на основе титана, используемым для изготовления высокопрочных и высокотехнологичных изделий. Сплав на основе титана состоит из алюминия, ванадия, молибдена, железа, кислорода. При этом компоненты сплава взяты в следующем соотношении, мас.%: алюминий 3,5-4,4, ванадий 2,0-4,0, молибден 0,1-0,8, железо max 0,4, кислород max 0,25, титан остальное. Технический результат - создание универсального сплава для крупногабаритных поковок и штамповок, тонколистового проката и фольги с необходимыми прочностными и пластическими характеристиками и структурой. 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.
Титановые сплавы широко применяются в качестве материалов аэрокосмического назначения, например, для самолетов и ракет, т.к. сплавы обладают прочными механическими свойствами и являются сравнительно легковесными.
Известен наиболее широко используемый титановый сплав Ti6A14V (Калачев Б.А., Полькин И.С. и Талалаев В.Д. Титановые сплавы разных стран. Справочник. М.: ВИЛС, 2000, с.58-59) - [1]. Сплав разработан в США в 50-х годах. Сплав средней прочности от 850 до 1000 МПа и высокой технологичности. Хорошо обрабатывается давлением: ковкой, штамповкой, прессованием. Нашел широкое применение в авиационной и аэрокосмической технике, судостроении, автомобилестроении и др., а также при изготовлении деталей крепежа различного назначения. Сплав хорошо обрабатывается всеми видами сварки, в том числе диффузионной.
Недостатком сплава Ti6A14V является его недостаточная универсальность. Из него сложно изготовить тонколистовой прокат, фольгу и трубы, так как сплав обладает относительно высоким сопротивлением деформации, что при температуре деформации ниже 800°С ведет к образованию таких дефектов, как трещины, а также сокращает срок службы рабочего инструмента или требует использования дорогостоящей инструментальной оснастки.
Известен псевдо-α-титановый сплав Grade 9 (Ti-3Al-2,5V), как сплав, обладающий высокой способностью к холодной деформации (см. [1], с.44, 45). Обладает промежуточной прочностью сплава Ti-6Al-4V и титана (600-800 МПа). Применяется в нагартованном состоянии и после отжига для снятия напряжений; обладает высокой коррозионной стойкостью во многих средах, включая морскую воду. Используется для изготовления труб гидравлической и топливной систем самолетов, ракет, подводных лодок.
Недостатком известного сплава является также его низкая универсальность, связанная с тем, что при изготовлении крупногабаритных конструкционных изделий обязательным является снятие внутренних напряжений. С этой целью изделия проходят отжиг, при этом прочностные характеристики сплава Grade 9 снижаются до 400-500 МПа.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является α+β-титановый слав, включающий 3,0-5,0 Al; 2,1-3,7 V; 0,85-3,15 Мо; 0,85-3,15 Fe; 0,06-0,2 O2 и неизбежные примеси (заявка Японии №3007214 В2, публ. 07.02.2000) - прототип.
Недостатком названного сплава является высокое содержание железа и молибдена, которые склонны к ликвации. С целью снижения вероятности возникновения ликвационной неоднородности необходимо использовать специальную технологию выплавки слитков, а также проводить прокатку и ковку с малыми степенями деформации с целью исключения декорации «бета-флеков», что снижает производительность.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является создание универсального титанового сплава с наименьшими затратами на его изготовление и возможностью изготавливать из него широкую номенклатуру изделий из титановых сплавов, таких как крупногабаритные поковки и штамповки, а также тонколистовой прокат и фольгу с необходимыми прочностными и пластическими характеристиками и структурой.
Технический результат, достигаемый при осуществлении заявляемого изобретения, заключается в регламентации оптимального сочетания α- и β-стабилизирующих легирующих компонентов в готовом полуфабрикате.
Технический результат достигается тем, что в сплаве на основе титана, состоящем из алюминия, ванадия, молибдена, железа и кислорода, согласно изобретению компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%:
| Алюминий | 3,5-4,4 |
| Ванадий | 2,0-4,0 |
| Молибден | 0,1-0,8 |
| Железо | max 0,4 |
| Кислород | max 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) и β-стабилизирующих элементов (ванадия, молибдена и железа) выбрано необходимым и достаточным для достижения поставленной цели.
Алюминий является стабилизатором α-фазы для α+β-титановых сплавов, который обеспечивает повышение механической прочности. Однако, когда содержание алюминия в заявляемом сплаве составляет менее 3,5%, необходимая прочность не может быть достигнута. Если же содержание алюминия превышает 4,4%, сопротивление горячей деформации увеличивается и деформируемость при более низких температурах ухудшается, что приводит к снижению производительности.
Ванадий добавляют в титан в качестве стабилизатора β-фазы для α+β-титановых сплавов, который обеспечивает повышение механической прочности, не образуя хрупкие интерметаллиды с титаном. Наличие ванадия в сплаве по мере стабилизации β-фазы затрудняет образование α2 - сверхструктуры в α-фазе и способствует повышению не только прочностных свойств, но и пластичности. При содержании ванадия менее 2% достаточная прочность, которая должна быть получена, исходя из изобретения, не может быть достигнута. Если содержание ванадия превышает 4,0%, сверхпластическое удлинение уменьшается за счет чрезмерного снижения температуры полиморфного превращения. Содержание ванадия в пределах 2,0-4,0% в данном сплаве имеет преимущество в связи с тем, что для его получения могут быть использованы отходы сплава Ti6Al4V, широко применяемого на нашем предприятии.
Молибден добавляют в титан в качестве стабилизатора β-фазы для α+β-титановых сплавов. Введение молибдена в пределах 0,1-0,8% обеспечивает полную растворимость его в α-фазе, что позволяет получать необходимые прочностные характеристики без снижения пластических свойств. Если содержание молибдена превышает 0,8%, увеличивается удельный вес сплава вследствие того, что молибден является тяжелым металлом, и пластические свойства сплава снижаются. Содержание молибдена менее 0,1% не обеспечивает свойства сплава в полном объеме.
Введение железа в сплав до 0,4% увеличивает объемную долю β-фазы, снижая сопротивление деформации при горячей обработке сплава, что помогает избежать образование таких дефектов, как трещины. Содержание железа более 0,4% приводит к ликвационным процессам с образованием «бета-флеков» при плавлении и кристаллизации сплава, что приводит к неоднородности механических свойств, в частности пластичности.
Кислород обеспечивает повышение механической прочности при образовании твердого раствора, в основном, в α-фазе. Содержание кислорода более 0,25% может привести к снижению пластических свойств сплава.
В качестве неизбежных примесей в сплаве может присутствовать до 0,1% углерода и до 0,05% азота, при этом общее количество примесей не должно превышать 0,16%.
Для исследования свойств заявляемого сплава были выплавлены методом двойного вакуумного дугового переплава слитки следующего химического состава (таблица 1).
| Таблица 1 | |||||
| Сплав | Химический состав сплава, мас.% | ||||
| Al | V | Мо | Fe | O | |
| 1 | 3,9 | 2,2 | 0,2 | 0,13 | 0,17 |
| 2 | 4,3 | 2,8 | 0,3 | 0,24 | 0,23 |
| 3 | 4,3 | 3,3 | 0,6 | 0,32 | 0,20 |
Из каждого слитка методом горячей деформации были изготовлены прутки диаметром 50 мм. Часть прутков была подвергнута термической обработке путем отжига при температуре 750°С, выдержке 1 час и охлаждении на воздухе. Были исследованы при комнатной температуре механические свойства прутков, прошедших термическую обработку, и прутков без термообработки. Результаты исследований приведены в таблице 2. Кроме того, дополнительно были исследованы механические свойства β-осаженных заготовок, подвергнутых термической обработке при температуре 710°С, выдержке 3 часа и охлаждению на воздухе. Результаты испытаний механических свойств заготовок, полученных осадкой в α+β и β-области, приведены в таблице 2.
| Таблица 2 | ||||||
| Сплав | Режим термообработки | Механические свойства | ||||
| σв, МПа | σ0,2, МПа | δ, % | ψ, % | |||
| 1 | Без отжига | 810 | 735 | 15,2 | 38,2 | |
| 750°С 1 час, воздух | 780 | 693 | 13,2 | 32,0 | ||
| 2 | Без отжига | 960 | 840 | 14,2 | 33,1 | |
| 750°С 1 час, воздух | 920 | 845 | 13,6 | 32,5 | ||
| 3 | α+β-обл. | 710°С 3 часа, воздух | 900 | 835 | 15 | 33,0 |
| β-обл. | 710°С 3 часа, воздух | 870 | 800 | 14 | 28,0 |
Предлагаемый сплав по сравнению с известными обладает высокой универсальностью, экономически выгоден, имеет более низкую себестоимость в связи с тем, что для его производства используются отходы широко известных сплавов, например сплав Ti6Al4V. Данный сплав обладает необходимым и достаточным уровнем механических свойств и может быть использован путем деформации как в α+β-области, так и в β-области для изготовления широкой номенклатуры изделий, включая крупногабаритные штамповки и поковки, а также тонкие листы и фольгу.
Сплав на основе титана, состоящий из алюминия, ванадия, молибдена, железа, кислорода, отличающийся тем, что компоненты сплава взяты в следующем соотношении, мас.%:
| Алюминий | 3,5-4,4 |
| Ванадий | 2,0-4,0 |
| Молибден | 0,1-0,8 |
| Железо | max 0,4 |
| Кислород | max 0,25 |
| Титан | Остальное |
