Титановый сплав для силовых крепежных элементов
Владельцы патента RU 2391426:
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ "ПРОМЕТЕЙ" (ФГУП "ЦНИИ КМ "ПРОМЕТЕЙ") (RU)
Изобретение относиться к металлургии, а именно к титановым сплавам, и предназначено для использования в атомном энергомашиностроении при производстве силовых крепежных элементов фланцевых соединений и разъемов различных технологических систем реакторного оборудования атомных и термоядерных установок. Для получения высокотехнологичного титанового сплава с улучшенным комплексом основных механических и служебных свойств предложен титановый сплав, содержащий, мас.%: алюминий 2,5-3,5, молибден 4,5-5,5, ванадий 4,5-5,0, цирконий 0,1-0,3, железо 0,05-0,25, кремний 0,05-0,15, ниобий 0,1-0,3, вольфрам 0,03-0,08, никель 0,05-0,1, церий 0,003-0,008, углерод 0,03-0,10, кислород 0,05-0,15, азот 0,01-0,05, водород 0,005-0,010, титан - основа, при этом суммарное содержание углерода и азота не превышает 0,12%. Обеспечивается повышение работоспособности и эксплуатационной надежности силового крепежа фланцевых соединений и разъемов различных сосудов давления, трубопроводов и арматуры реакторного оборудования. 3 табл.
Изобретение относится к металлургии титановых сплавов, содержащих в качестве основы титан с заданным соотношением легирующих и примесных элементов, и предназначено для использования в атомном энергетическом машиностроении при производстве силовых крепежных элементов фланцевых соединений и герметичных разъемов различных сосудов давления, трубопроводов и арматуры реакторного оборудования.
Известны конструкционные титановые материалы, применяемые в машиностроении и атомной энергетике (например, титановые сплавы типа ВТ, ОТ и ПТ, а также другие аналоги), указанные в государственных и отраслевых стандартах, а также в научно-технической литературе [1-5]. Однако известные сплавы в ряде случаев не обеспечивают требуемого уровня и стабильности основных физико-механических и служебных характеристик материала в условиях длительной высокотемпературной эксплуатации силового крепежа, что снижает работоспособность и эксплуатационную надежность энергетического оборудования и не отвечает требованиям, предъявляемым к объектам ядерной энергетики при их эксплуатации в течение заданного ресурса.
Наиболее близким к заявленной композиции по базовому составу и функциональному назначению является титановый (α+β) сплав марки ВТ 16 системы Ti-Al-Mo-V ОСТ 1.90013 [1], содержащий в своем составе легирующие и примесные элементы в следующем соотношении, в мас.%:
| Алюминий | 1,6-3,0 |
| Молибден | 4,5-5,5 |
| Ванадий | 4,5-5,0 |
| Цирконий | ≤0,3 |
| Железо | ≤0,25 |
| Кремний | ≤0,15 |
| Углерод | ≤0,10 |
| Кислород | ≤0,15 |
| Азот | ≤0,05 |
| Водород | ≤0,015 |
| Титан | основа |
Известный титановый сплав характеризуется недостаточно высоким уровнем кратковременной и длительной прочности при температурах эксплуатации (до 300°С) крепежных элементов реакторного оборудования. Вместе с тем этот сплав обладает низким сопротивлением усталости в агрессивных средах, а также пониженными значениями пластичности и ударной вязкости после нейтронного облучения.
Техническим результатом настоящего изобретения является создание титанового сплава для силовых крепежных элементов, обладающего более высоким уровнем кратковременной и длительной прочности при температурах эксплуатации крепежных элементов реакторного оборудования (300°С), повышенным сопротивлением усталости в агрессивных средах, а также более высокими значениями пластичности и ударной вязкости после нейтронного облучения.
Технический результат достигается за счет того, что в титановом сплаве для силовых крепежных элементов, содержащем алюминий, молибден, ванадий, цирконий, железо, кремний, титан, углерод, кислород, азот, водород, согласно изобретению дополнительно введены ниобий, вольфрам, никель и церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Алюминий | 2,5-3,5 |
| Молибден | 4,5-5,5 |
| Ванадий | 4,5-5,0 |
| Цирконий | 0,1-0,3 |
| Железо | 0,05-0,25 |
| Кремний | 0,05-0,15 |
| Ниобий | 0,1-0,3 |
| Вольфрам | 0,03-0,08 |
| Никель | 0,05-0,1 |
| Церий | 0,003-0,008 |
| Углерод | 0,03-0,10 |
| Кислород | 0,05-0,15 |
| Азот | 0,01-0,05 |
| Водород | 0,005-0,010 |
| Титан | основа |
При этом суммарное содержание углерода и азота не должно превышать 0,12% при значительном ограничении (до 0,010%) содержания водорода в твердом растворе.
Соотношение указанных легирующих и примесных элементов выбрано таким, чтобы заявляемый сплав после соответствующей термической обработки обеспечивал формирование наиболее оптимального структурного состояния, требуемый уровень и стабильность важнейших стуктурно-чувствительных характеристик материала, во многом определяющих заданную работоспособность и эксплуатационную надежность силового крепежа фланцевых соединений и технологических разъемов герметизирующих устройств реакторного оборудования.
Комплексное введение в заданную композицию микролегирющих и модифицирующих добавок ниобия, вольфрама, никеля и церия в указанном соотношении с другими легирующими элементами, прежде всего с алюминием, молибденом и ванадием, улучшает структурную стабильность и деформационную способность материала, снижает его чувствительность к коррозионно-усталостному разрушению при длительной эксплуатации в рабочих средах, а ограничение суммарного содержания азота и углерода повышает работу зарождения и развития трещин в условиях статического и динамического нагружений. При этом, как показали результаты исследований [5-9], происходит более равномерное распределение легирующих элементов по всему сечению слитка и полуфабрикатов, металл эффективнее очищается от вредных примесей и газов, более активно идет формирование мелкозернистой структуры с равноосной формой зерен, тоньше и чище становяться их границы, увеличивается прочность межкристаллитной связи, что в целом обеспечивает значительное повышение пластичности и вязкости металла в сложных условиях длительной эксплуатации силового крепежа. Введение модифицирующих добавок вне указанных в формуле изобретения пределов снижает эффективность их положительного влияния и не приводит к заметному улучшению этих структурно-чувствительных характеристик работоспособности материала крепежных элементов.
Фрактографический анализ поверхности изломов образцов методом сканирования на растровом электронном микроскопе показал, что в заявляемом сплаве доля вязкой составляющей в зоне усталостного разрушения металла заметно возрастает, по сравнению с известным составом.
Полученный более высокий уровень основных механических и служебных характеристик сплава обеспечивается комплексным легированием заявляемой композиции в указанном соотношении с другими элементами, сбалансированным химическим и фазовым составом, нормированным содержанием вводимых микролегирющих и модифицирующих добавок, а также контролем чистоты металла по содержанию остаточных вредных примесей.
В ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей» совместно с другими предприятиями отрасли в соответствии с планом проводимых научно-исследовательских разработок в рамках федеральной целевой программы «Энергетика-2015» выполнен необходимый комплекс лабораторных, расчетных и опытно-технологических работ по выплавке, пластической и термической обработке создаваемой марки сплава. Металл выплавлялся в вакуумных гарнисажных электропечах с магнитоуправляемой дугой с последующей обработкой на кузнечно-прессовом оборудовании с получением полуфабрикатов требуемого сортамента.
Химический состав исследованных материалов и результаты определения основных механических и служебных характеристик представлены в табл.1-3.
Ожидаемый технико-экономический эффект от применения разработанного титанового сплава в атомной энергетике и других отраслях народного хозяйства выразится в повышении эксплуатационной надежности и ресурса работы высоконагруженных фланцевых соединений и герметичных разъемов реакторного оборудования создаваемых атомных и термоядерных установок.
| Таблица 2 | |||||||||||||
| Механические и эксплуатационные свойства исследованных материалов в отожженном состоянии | |||||||||||||
| Состав | Условный номер сплава | Механические свойства при температуре, °С | Предел длительной прочности, σ1000 300°C | Ударная вязкость KCU и относительное удлинение δ5 после нейтронного облучения | Тип зерна | ||||||||
| 20 | 300 | ||||||||||||
| σв | σ0,2 | δ5 | Ψ | σв | σ0,2 | δ5 | Ψ | ||||||
| МПа | % | МПа | % | МПа | кДж/м2 | % | |||||||
| Заявляемый | 1 | 890 | 833 | 19,8 | 62,6 | 764 | 731 | 17,8 | 68,0 | 614 | 680 | 16,5 | 6 |
| 2 | 915 | 854 | 18,2 | 58,3 | 782 | 755 | 19,4 | 66,2 | 628 | 650 | 14,7 | 6 | |
| 3 | 930 | 870 | 17,9 | 56,7 | 815 | 772 | 18,1 | 63,7 | 645 | 638 | 16,1 | 6 | |
| Известный | 4 | 824 | 785 | 16,0 | 54,0 | 748 | 718 | 17,3 | 62,1 | 598 | 620 | 12,0 | 4 |
| Примечание: 1. Результаты механических испытаний усреднены по трем образцам на точку | |||||||||||||
| 2. Испытания на длительную прочность проводили при 300°С на базе 1000 часов в соответствии с ГОСТ 10145 | |||||||||||||
| 3.Нейтронное облучение образцов проводили в активной зоне водо-водяного реактора ВВР-М при дозе облучения Ф=1020 нейтр/см2 (энергия нейтронов Е=0,5 МэВ), температура облучения Тобл.=300°С |
| Таблица 3 | |||||
| Усталостная и коррозионно-усталостная прочность исследованных сплавов | |||||
| Состав | Условный номер сплава | Пределы выносливости σ-1, МПа на базе 107 циклов при испытании | |||
| на воздухе | в синтетической морской воде | ||||
| гладкие образцы | с надрезом | гладкие образцы | с надрезом | ||
| Заявленный | 1 | 469 | 275 | 442 | 239 |
| 2 | 482 | 292 | 463 | 251 | |
| 3 | 498 | 328 | 472 | 264 | |
| Известный | 4 | 437 | 257 | 398 | 198 |
| Примечание. Усталостные испытания проводили на консольных образцах в условиях поперечного изгиба с вращением по симметричному циклу (ГОСТ 25.502-79). |
Литература
1. ОСТ 1 90013-71 «Сплавы титановые» (марки), прототип.
2. ОСТ 1 90202-75 «Прутки горячекатаные из сплава марки ВТ 16».
3. ГОСТ 19807 «Титан и сплавы титановые деформируемые» (марки).
4. Б.Б. Чечулин, С.С.Ушков и др. Титановые сплавы в машиностроении. Изд-во «Машиностроение», Л. 1977.
5. И.В.Горынин, В.В.Рыбин, С.С.Ушков и др. Титановые сплавы как перспективный реакторный материал. Сб.ст. «Радиационное материаловедение и конструкционная прочность реакторных материалов» Изд-е ЦНИИ КМ «Прометей», С-Пб, 2002.
6. К.Д.Хромушкин, А.Н.Савкин «Влияние напряжений затяжки на релаксационную стойкость и усталостную прочность резьбового соединения». Сб. Судостроительная промышленность. Вып.1, С-Пб, 1986.
7. В.А.Межонов, К.Д.Хромушкин «Влияние антизадирных покрытий на характеристики свинчиваемости и коррозионно-механическую прочность болтов из титановых сплавов». Сб. Судостроительная промышленность. Вып.11, С-Пб, 1991.
8. О.А.Кожевников, В.В.Рыбин, Е.В.Нестерова и др. «Механические свойства, тонкая структура и микромеханизмы разрушения облученных нейтронами сплавов титана». Журнал «Металловедение и термическая обработка металлов», №9, 1999.
9. И.И.Горынин, С.С.Ушков, А.Н.Хатунцев, Н.И.Лошакова «Титановые сплавы для морской техники». Изд-во «Политехника». С-Пб, 2007.
Титановый сплав для силовых крепежных элементов, содержащий алюминий, молибден, ванадий, цирконий, железо, кремний, углерод, кислород, азот, водород и титан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит ниобий, вольфрам, никель и церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Алюминий | 2,5-3,5 |
| Молибден | 4,5-5,5 |
| Ванадий | 4,5-5,0 |
| Цирконий | 0,1-0,3 |
| Железо | 0,05-0,25 |
| Кремний | 0,05-0,15 |
| Ниобий | 0,1-0,3 |
| Вольфрам | 0,03-0,08 |
| Никель | 0,05-0,1 |
| Церий | 0,003-0,008 |
| Углерод | 0,03-0,10 |
| Кислород | 0,05-0,15 |
| Азот | 0,01-0,05 |
| Водород | 0,005-0,010 |
| Титан | Основа, |
при этом суммарное содержание углерода и азота не превышает 0,12%.
