Сплав на основе титана
Владельцы патента RU 2412269:
Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Министерство промышленности и торговли РФ (Минпромторг России) (RU)
Изобретение относится к металлургии сплавов на основе титана, используемых для изготовления различных крупногабаритных сварных конструкций, в том числе для оборудования, применяемого в судостроении. Предложен сплав на основе титана. Сплав содержит, мас.%: алюминий 3,5÷5,0; ванадий 1,4÷2,5; азот 0,005÷0,04; углерод >0,1÷0,12; водород 0,003÷0,008; железо 0,05÷0,25; кислород 0,05÷0,14; кремний 0,05÷0,08; титан - остальное. Сплав характеризуется повышенной коррозионно-механической прочностью и эксплуатационной безопасностью сварных конструкций в морской воде. 2 табл.
Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к металлургии сплавов на основе титана для крупногабаритных сварных конструкций с сечением более 300 мм, обладающих повышенной коррозионно-механической прочностью и эксплуатационной безопасностью для морской техники.
Известен сплав на основе титана для морской техники:
- сплав, содержащий, мас.%: алюминий 6,0-7,0; ниобий 2,0; тантал 1,0; молибден 0,8, содержание примесей минимально [1]. Сплав применяется для изготовления малогабаритных сварных конструкций морской техники.
Недостатком этого сплава является ограничение габаритов изготовляемых конструкций и высокая стоимость из-за содержания дорогостоящих легирующих элементов ниобия и тантала.
Также известны сплавы, близкие по составу ингредиентов: патенты РФ 2082803, С22С 14/00 от 27.06.97г. и 2086694, С22С 14/00 от 27.02.98 г.
Недостатками этих сплавов являются ограничение толщины свариваемых сечений (не более 20 мм) и коррозионное разрушение сварных соединений из-за повышенного содержания кислорода, азота, водорода
Предложен [2] в качестве прототипа состав сплава на основе титана (DE 102006031469 A1, B23K 20/04, С22С 14/00, 10.01.2008) [3], содержащий, мас.%: алюминий 2,3-7,8, ванадий ≤6,9, молибден ≤5,8, углерод ≤0,09, водород ≤0,2, железо ≤3,5, кремний ≤0,8, кислород ≤0,3. Сплав по характеристике назначения относится к листовым полуфабрикатам из титанового сплава, плакированного алюминиевым сплавом для автомобильных двигателей внутреннего сгорания с рабочей температурой более 600°С.
Из альтернативных вариантов составов сплава в качестве прототипа выбран сплав, количественный и качественный состав которого соответствует составу заявляемого сплава.
Недостатком этого сплава является ограничение толщины свариваемых сечений 1,0-8,0 мм. Сплав-прототип обладает низкой коррозионно-механической прочностью сварных соединений, оцениваемой малоцикловой долговечностью и коэффициентом интенсивности напряжений KQSCC (вязкостью разрушения) сварных соединений в морской воде по сравнению с основным металлом из-за повышенного содержания железа и водорода.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание сплава для крупногабаритных сварных конструкций с сечением более 300 мм, обладающего повышенной коррозионно-механической прочностью, чем известный сплав.
Технический результат достигается за счет того, что сплав, содержащий алюминий, ванадий, азот, углерод, водород, железо, кислород, кремний и титан, отличается тем, что он содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:
| Алюминий | 3,5÷5,0; |
| Ванадий | 1,4÷2,5; |
| Азот | 0,005÷0,04 |
| Углерод | >0,1÷0,12; |
| Водород | 0,003-0,008 |
| Железо | 0,05-0,25 |
| Кислород | 0,05÷0,14 |
| Кремний | 0,05÷0,08; |
| Титан | остальное, |
Указанное в заявляемом сплаве содержание компонентов обеспечивает оптимальное сочетание прочности и ударной вязкости сварных соединений.
Кремний в указанных пределах препятствует выделению α-фазы по границам зерен, снижающей коррозионно-механическую прочность. При содержании кремния более 0,08% в структуре сплава образуются интерметаллиды типа Тi2 SI3, которые снижают пластичность сварного шва, вызывая их разрушение
Углерод при содержании ≤0,12% находится в твердом растворе, а при содержании >0,12% он находится по границам зерен в виде округлых включений, которые снижают пластичность сплава и малоцикловую усталость сварных соединений в морской воде на 30 процентов.
Снижение содержания алюминия до 5,0% и ванадия до 2,5% по сравнению с известным сплавом предотвращает склонность сварных соединений титановых сплавов к коррозионному растрескиванию в морской воде и уменьшает степень внутрикристаллической ликвации при кристаллизации металла сварного шва, что обеспечивает получение равномерно однородной структуры металла сварного соединения с высокой пластичностью.
При содержании алюминия более 5% возможно образование обогащенных микросегрегатов, вызывающих неоднородность структуры и приводящих к снижению пластичности и коррозинно-механической прочности сварных соединений. При содержании алюминия менее 3,5% не обеспечиваются требования по прочности сплава.
При содержании ванадия более 2,5% наблюдается снижение ударной вязкости и пластических характеристик сварного соединения.
Содержание водорода в предлагаемом сплаве ограничено 0,008% по сравнению с известным сплавом для предотвращения развития водородной хрупкости разрушения сварных соединений.
Коррозионно-механическую прочность характеризует также малоцикловая долговечность образцов с острым надрезом в морской воде. Эксплуатационную безопасность сварных соединений крупногабаритных конструкций в морской воде характеризует отношение коэффициента интенсивности напряжений KQSCC (вязкости разрушения) к пределу прочности при растяжении. Чем это отношение больше, тем безопаснее эксплуатация [4].
Образцы из предлагаемого и известного сплава были изготовлены из поковок с сечением 300 мм. Поковки сваривали ручным аргонодуговым методом по щелевому зазору.
Для определения коэффициента интенсивности напряжений KQSCC изготавливали образцы размером 64×90×400 мм. Надрез выполняли по основному металлу и сварному шву. Испытания проводили по схеме трехточечного изгиба в среде, имитирующей морскую воду с составом 3,5% NaCl.
Коррозионно-механическую прочность оценивали также по результатам испытаний образцов на малоцикловую усталость. Испытания проводили на образцах с острым надрезом (r=0,1 мм) при растяжении в растворе, имитирующем морскую воду с составом 3,5% NaCl при напряжении, равном 0,8 σв.
Состав предлагаемого и известного сплавов и результаты испытаний для определения коэффициента интенсивности напряжений KQSCC и малоцикловой долговечности приведены в таблицах 1 и 2.
Как видно из таблицы 2, результаты испытаний подтверждают, что предлагаемый состав сплава на основе титана превосходит известный по показателям, характеризующим коррозионно-механическую прочность: коэффициенту интенсивности напряжений и малоцикловой долговечности в морской воде.
Малоцикловая долговечность предлагаемого сплава в три раза выше малоцикловой долговечности известного сплава. Коэффициент безопасной эксплуатации K1css/σв√м сварных соединений предлагаемого сплава почти в 4 раза выше известного.
Ожидаемый экономический эффект выразится в повышении безопасной эксплуатации крупногабаритных сварных конструкций морской техники примерно в 3 раза. Применение предлагаемого сплава в крупногабаритных сварных конструкциях снизит расход энергопотребления более 30% за счет исключения термической обработки и повышения эксплуатационной безопасности морской техники, а это приведет к сокращению количества ремонтов сварных конструкций и аварий на море.
| Таблица 1 | |||||||||||
| Химический состав предлагаемого и известного сплавов на основе титана | |||||||||||
| Сплав | № состава | Al | V | N | С | Н2 | Fe | O2 | Si | Mo | Ti |
| Предлагаемый | 1 | 3,5 | 1,4 | 0,005 | 0,10 | 0,003 | 0,05 | 0,05 | 0,05 | - | ост. |
| 2 | 4,0 | 2,0 | 0,008 | 0,08 | 0,006 | 0,15 | 0,10 | 0,07 | - | ост. | |
| 3 | 5,0 | 2,5 | 0,04 | 0,12 | 0,008 | 0,25 | 0.14 | 0,08 | - | ост. | |
| Известный | 6,5 | 4,0 | 0,02 | 0,08 | 0,015 | 0,5 | 0,20 | 0,3 | 3,0 | ост. |
| Таблица 2 | |||||||||
| Коррозионно-механическая прочность и эксплуатационная безопасность сварных соединений предлагаемого и известного сплавов в морской воде | |||||||||
| Сплав | Состав | σВМПа | KQSCC МПа√м | KQSCC/σВ | Долговечность при σном=0,8σ0,2, циклы | ||||
| о.м. | с.ш. | о.м. | с.ш. | о.м. | с.ш. | о.м. | с.ш. | ||
| Предлагаемый | 1 | 658 | 655 | 150 | 148 | 0,228 | 0,225 | 2438 | 2400 |
| 2 | 695 | 690 | 145 | 146 | 0,208 | 0,211 | 2450 | 2450 | |
| 3 | 775 | 716 | 147 | 142 | 0,190 | 0,198 | 2500 | 2520 | |
| Известный | 1150 | 1050 | 40,7 | 25,0 | 0,003 | 0,02 | 120 | 50 |
Литература
1. Б.А.Колачев, И.С.Полькин, В.Д.Талалаев. Титановые сплавы разных стран. М.: ВИЛС, 2000 г., стр.266.
2. Роспатент, Форма №10 И.З., ПО-2010. 100 Запрос по з. №200913608/02.
3. Патент ФРГ №ОЕ 102006031469 Al, B23K 20/04, С22С 14/00, 10.01.2008. «Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einem Titan-Flachprodukt fur Hochtemperaturan-wendungen».
4. (Х.Бевело. Влияние структуры на усталостное разрушение деталей из титановых сплавов. 3-я Международная конференция по титану. МГУ, г.Москва.)
Сплав на основе титана для крупногабаритных сварных конструкций, содержащий алюминий, ванадий, азот, углерод, водород, железо, кислород, кремний и титан, отличающийся тем, что он содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:
| Алюминий | 3,5÷5,0 |
| Ванадий | 1,4÷2,5 |
| Азот | 0,005÷0,04 |
| Углерод | >0,1÷0,12 |
| Водород | 0,003÷0,008 |
| Железо | 0,05÷0,25 |
| Кислород | 0,05÷0,14 |
| Кремний | 0,05÷0,08 |
| Титан | остальное |
