Сплав на основе титана и изделие, выполненное из него

Изобретение относится к области металлургии, а именно к титановым сплавам, предназначенным для использования в качестве высокопрочного конструкционного термически упрочняемого материала для изготовления деталей силовых конструкций авиационной и космической техники, энергетических установок, ракет, длительно работающих при температурах до 350°C. Сплав на основе титана содержит, мас. %: алюминий 1,0-6,0; молибден 5,0-10,0; ванадий 5,0-10,0; железо 0,3-3,5; хром 0,3-3,5; олово 0,1-2,0; цирконий 0,1-2,0; сера 0,0001-0,30; кислород 0,01-0,20; азот 0,005-0,050; водород 0,003-0,020; углерод 0,005-0,100; кремний 0,01-0,10; титан – остальное. Сплав характеризуется высокими характеристикам трещиностойкости и технологической пластичности. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 табл., 4 пр.

 

Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно к созданию титановых сплавов, предназначенных для использования в качестве высокопрочного конструкционного термически упрочняемого материала. Из сплава могут быть изготовлены деформированные полуфабрикаты (листы, лента, фольга, плиты, прутки, штамповки и др.), которые применяются для изготовления деталей силовых конструкций авиационной и космической техники, энергетических установок, ракет, длительно работающих при температурах до 350°C.

Известен сплав на основе титана, имеющий следующий химический состав, масс. % (GB 1479855, МПК С22С 14/00, опубл. 13.07.1977 г.):

алюминий 1,0-6,0
ванадий 0,1-10,0
молибден 5,0-10,0
хром 4,0-12,0
железо 0,1-4,0
никель 0,3-4,0
кислород <0,2
азот <0,1
водород <0,03
углерод <0,05
титан остальное

Недостаток сплава заключается в его низкой технологической пластичности, затрудняющей его обработку и изготовление полуфабрикатов.

Известен сплав на основе титана, имеющий следующий химический состав, масс. % (а.с. 443090, МПК С22С 15/00, опубл. 15.09.1974 г.):

алюминий 2,0-7,0
молибден 1,0-9,0
ванадий 2,0-15,0
хром 0,3-4,0
железо 0,3-4,0
водород 0,001-0,015
олово 0,5-7,0
медь 0,5-3,0
кислород 0,04-0,20
титан остальное

Недостатком сплава является низкая технологическая пластичность, что ограничивает применение сплава лишь поковками и штамповками, изготавливаемыми деформацией при высоких температурах, а также то, что эффективное упрочнение этих сплавов достигается закалкой в воду и старением, т.е. при больших скоростях охлаждения, связанных с большими поводками и окислением при переносе в закалочную среду. Кроме того, применение указанного сплава в связи с его низкой трещиностойкостью возможно лишь для изделий кратковременного ресурса.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является сплав на основе титана (а.с. 1039245, МПК С22С 14/00, опубл. 10.10.2015 г.), имеющий следующий химический состав, масс. %:

алюминий 1,0-6,0
молибден 5,0-10,0
ванадий 5,0-10,0
железо 0,3-3,5
хром 0,3-3,5
олово 0,1-2,0
цирконий 0,1-2,0
кислород 0,01-0,20
азот 0,005-0,050
водород 0,003-0,020
углерод 0,005-0,100
кремний 0,01-0,10
титан остальное

Недостатком сплава-прототипа является низкая технологическая пластичность и недостаточно высокие характеристики трещиностойкости.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение трещиностойкости и технологической пластичности на 8-13 и 9-18% соответственно.

Для достижения поставленного технического результата предлагается сплав на основе титана, содержащий алюминий, молибден, ванадий, хром, железо, олово, цирконий, кислород, водород, азот, углерод, кремний, отличающийся тем, что дополнительно содержит серу, при следующем соотношении компонентов, масс. %:

алюминий 1,0-6,0
молибден 5,0-10,0
ванадий 5,0-10,0
железо 0,3-3,5
хром 0,3-3,5
олово 0,1-2,0
цирконий 0,1-2,0
сера 0,0001-0,30
кислород 0,01-0,20
азот 0,005-0,050
водород 0,003-0,020
углерод 0,005-0,100
кремний 0,01-0,10
титан остальное

и изделие, выполненное из этого сплава.

Сплав дополнительно также может содержать иттрий в количестве от 0,01 до 0,15 масс. % или ниобий в количестве от 0,01 до 0,2 масс. %.

Взаимное соотношение алюминия и кислорода в сплаве может составлять от 42/1 до 19/1 (в масс. долях) при условии содержания алюминия в сплаве не более 2,5 масс. %. Вышеуказанное соотношение позволяет реализовать более высокий уровень технологической пластичности за счет снижения степени твердорастворного упрочнения сплава алюминием и кислородом, которые, как известно, являются одними из наиболее эффективных упрочняющих компонентов титановых сплавов.

Установлено, что легирование кислородом, азотом, углеродом и кремнием существенно повышает прочность сплава. Цирконий образует непрерывный ряд твердых растворов с обеими модификациями титана (α и β), и с увеличением содержания циркония в сплаве возрастает предел прочности, также его добавка существенно повышает длительную прочность и сопротивление ползучести сплава. Кроме того, цирконий в небольших количествах оказывает модифицирующее влияние на структуру сплава, изменяя характер внутризеренной структуры и уменьшая размер зерна. Легирование титана оловом в присутствии циркония значительно повышает механические свойства и особенно трещиностойкость при комнатной и повышенных температурах. Дополнительное легирование сплава оловом в концентрации 1-2 масс. % позволяет повысить пластичность и ускорить процессы распада β-твердого раствора при старении, что приводит к сокращению трудоемкости и энергозатрат при проведении его термической обработки. Еще более эффективное влияние олова на упрочнение титана проявляется при испытании на жаропрочность. Введение в сплав ниобия обеспечивает повышение уровня пластичности и вязкости разрушения на 3-8% (отн.). Введение редкоземельного металла иттрия в указанном количестве позволяет реализовать эффект модифицирования и рафинирования микрообъемов сплава, обеспечить более равномерный и однородный распад β-фазы при старении, обусловленный снижением критического размера зародыша частиц α-фазы. Вышеуказанные эффекты позволяют дополнительно повысить прочностные и пластические характеристики сплава в термически упрочненном состоянии на величину от 2 до 9% (отн.) по сравнению с модельными составами без иттрия.

Микролегирование сплава серой обеспечивает повышение технологичности, которое заключается в улучшении обрабатываемости (резанием, точением и т.д.), снижает износ режущего инструмента и увеличивает срок его службы. Увеличение содержания серы улучшает показатели механической обрабатываемости за счет выделения металлидных соединений, но при концентрации примерно 0,2-0,3 масс. % снижаются технологичность и характеристики длительной работоспособности. При превышении указанных максимальных пределов обрабатываемость в горячем состоянии ухудшается.

Увеличение количества β-стабилизирующих элементов (молибдена до 10%), введение олова и циркония до 2%, а также регламентированное присутствие кислорода, углерода, кремния, азота в предлагаемом сплаве приводит к увеличению коэффициента β-стабилизации (Кβ), позволяя проводить упрочняющую ступенчатую термическую обработку, повышает характеристики трещиностойкости и технологической пластичности без снижения характеристик прочности.

Установленное содержание ванадия способствует (за счет его умеренного твердорастворного упрочнения) получению высокой технологичности сплава при умеренно высоких значениях прочностных свойств.

Выбранное содержание хрома и железа обусловлено тем, что эти элементы хорошо упрочняют титановые сплавы и являются сильными β-стабилизаторами. Но в сплавах с их высоким содержанием (более установленных в данном изобретении максимальных пределов) могут при длительных изотермических выдержках образовываться охрупчивающие интерметаллиды, а при выплавке слитков велика вероятность образования химических неоднородностей.

Предложенный сплав хорошо деформируется в горячем и холодном состояниях. Путем холодной прокатки из предложенного сплава можно изготавливать тонкую ленту и фольгу. При горячей изотермической штамповке сплав отличается низкими удельными давлениями течения металла (90-110 МПа при температуре 700°C при скорости деформирования 3,2 мм/мин). Термическая обработка сплава включает ступенчатый отжиг в вакуумных печах или печах с защитной атмосферой.

Примеры осуществления

Пример 1. Предлагаемый сплав (в соответствии с таблицей №1) в виде слитков выплавляли методом тройного вакуумно-дугового переплава. Затем слитки подвергали деформационной обработке путем всесторонней ковки в обычных или квази-изотермических условиях на сутунки. Полученные сутунки были подготовлены под прокатку путем строгания по всем поверхностям. Прокатка полученных сутунок проводилась в несколько этапов с промежуточными отжигами. Готовые листы подвергались окончательной термической обработке.

Примеры 2-4 аналогичны примеру 1.

В таблице 1 приведен химический состав выплавленных слитков.

Далее определяли следующие характеристики полученных полуфабрикатов (листы):

- предел прочности и относительное удлинение определяли путем проведения испытаний на растяжение образцов при комнатной температуре по ГОСТ 1497;

- предел технологической пластичности определяли в закаленном состоянии путем деформации цилиндрических образцов осадкой по ГОСТ 8817;

- угол изгиба определяли при комнатной температуре по ГОСТ 14019;

- КСу, МПа м-1/2, критический коэффициент интенсивности напряжений в условиях плоского напряженного состояния по ОСТ 1 90356;

- (КСТ) Дж/см2, ударная вязкость образца с концентратором вида Т по ГОСТ 9454;

- удельные давления течения металла определены по ГОСТ 25.503;

- была проведена оценка характеристик механической обрабатываемости резанием, показатели которой выражены в баллах по 10-бальной шкале, где 10 - наилучший показатель. При оценке учитывался износ режущего инструмента и связанный с ним ресурс, характеристики стружки, ее размер, степень перегрева стружки и заготовки.

В таблице 2 приведены механические и технологические свойства предлагаемого сплава и сплава-прототипа.

Как видно из таблицы 2, в предлагаемом сплаве по сравнению со сплавом-прототипом технологичность при обработке резанием повысилась на 1-2 балла, технологическая пластичность повысилась на 9-18%, характеристики трещиностойкости (K1C) - на 8-13%, остальные характеристики сохранены на примерно одинаковом уровне.

Предлагаемый сплав может быть применен в качестве конструкционного материала для изготовления крупногабаритных деталей и конструкций методом холодного деформирования с высоким коэффициентом использования металла. Сплав обладает высокой надежностью по сравнению с известным благодаря повышенным характеристикам трещиностойкости и может быть использован для изделий длительного ресурса (например, в гражданской авиации).

1. Сплав на основе титана, содержащий алюминий, молибден, ванадий, хром, железо, олово, цирконий, кислород, водород, азот, углерод и кремний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит серу, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

алюминий 1,0-6,0
молибден 5,0-10,0
ванадий 5,0-10,0
железо 0,3-3,5
хром 0,3-3,5
олово 0,1-2,0
цирконий 0,1-2,0
сера 0,0001-0,30
кислород 0,01-0,20
азот 0,005-0,050
водород 0,003-0,020
углерод 0,005-0,100
кремний 0,01-0,10
титан остальное

2. Сплав на основе титана по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит иттрий в количестве от 0,01 до 0,15 мас. %.

3. Сплав на основе титана по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит ниобий в количестве от 0,01 до 0,2 мас. %.

4. Сплав на основе титана по п. 1, отличающийся тем, что соотношение алюминия и кислорода составляет от 42/1 до 19/1 (в мас. долях) при содержании алюминия в сплаве не более 2,5 мас. %.

5. Изделие, выполненное из сплава на основе титана, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п. 1.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии, а именно к созданию конструкционных титановых сплавов, предназначенных для изготовления средненагруженных деталей, в том числе для набора планера воздушного судна, работающих длительно при температурах от -70 до +400°С.

Изобретение относится к мелкодисперсному получению порошка титана. Способ включает активирование исходного материала, гидрирование, измельчение полученного гидрида титана, термическое разложение гидрида титана в вакууме и измельчение образовавшегося титанового спека.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к титановым сплавам, используемым для изготовления силовых конструкций, длительно работающих при температурах до 350 °С.

Изобретение относится к способу получения сплава, содержащего титан, железо, хром и кремний, из водной суспензии частиц руд, содержащих соединения этих элементов, и устройству для его осуществления.

Изобретение относится к способу получения сплавов, состоящих из титана, железа, хрома и циркония, из водной суспензии частиц руд, содержащих соединения этих элементов, и устройству для его осуществления.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам на основе интерметаллидов титана и алюминия с рабочими температурами не выше 825°C, изделия из которых могут быть использованы в конструкции авиационных газотурбинных двигателей и наземных энергетических установок.

Изобретение относится к титановым лопаткам большого размера последних ступеней паротурбинных двигателей. Лопатка содержит сплав на основе титана и имеет переднюю кромку, включающую оксид титана, содержащий поры и верхний герметизирующий слой, заполняющий поры, выбранный из группы, состоящей из хрома, кобальта, никеля, полиимида, политетрафторэтилена и сложного полиэфира.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокотемпературным припоям на основе титана, которое может найти применение при изготовлении паяных деталей горячего тракта газотурбинных двигателей.
Изобретение относится к термоводородной обработке полуфабрикатов и изделий из пористого материала на основе титана и его сплавов для медицинских имплантатов. Способ включает термодиффузионное насыщение водородом и вакуумный отжиг.

Изобретение относится к изготовлению сплавов на основе никелида титана, применяемых для медицинских имплантатов. Способ изготовления литых изделий включает переплав металлического полуфабриката индукционной центробежной плавкой в карборундовом тигле.
Изобретение относится к изготовлению композитных заготовок на основе титана. Способ включает приготовление шихты, содержащей отходы титановых сплавов, и компактирование шихты в заготовки путем прессования. Шихту готовят путем добавления порошка титана в очищенные в щелочном растворе отходы титановых сплавов при массовом соотношении отходов и порошка титана, равном 70/30, полученную шихту подвергают травлению в кислом растворе с обеспечением деоксидации и наводораживания до 0,1-1 мас. % водорода в титане, затем шихту измельчают, совмещая со смешиванием, и нагревают до температуры прессования, после прессования проводят удаление загрязнений с поверхности полученной заготовки, покрывают ее смазкой, подвергают прокатке и проводят термическое обезводораживание. Обеспечивается повышение механических свойств заготовок, а также прочности и пластичности. 2 з.п. ф-лы, 1 пр.
1. Способ относится к получению низкомодульного сплава на основе системы титан-ниобий селективным лазерным сплавлением и может найти применение в области аддитивных технологий в медицине в качестве материалов для имплантатов. Предварительно производят механическую активацию порошков титана и ниобия, взятых в массовом соотношении 6:4. Затем механоактивированную смесь титан-ниобиевого порошка помещают в вакуумной камере в зоне лазерной обработки слоем 0.05-0.1 мм. В вакуумной камере создают предварительный вакуум не хуже 10-2 Па и вводят аргон. Осуществляют нагрев интенсивным лазерным излучением до температуры 2800-3000°С с последующей выдержкой при этой температуре в течение 1-3 мсек. Обеспечивается получение низкомодульного титан-ниобиевого сплава заданного состава с определенными свойствами, с однородным распределением структурных составляющих по всему объему сплава, являющегося экологически чистым за счет отсутствия в продуктах синтеза посторонних веществ, сокращение длительности процесса и снижение стоимости готовой продукции вследствие отсутствия предварительной выплавки сплава TiNb (40 мас.%) и последующего изготовления из этого сплава порошка для селективного лазерного сплавления. 2 з.п. ф-лы, 3 пр.

Изобретение относится к изготовлению расходуемого электрода для выплавки слитков титан-алюминиевых сплавов, содержащих 15-63 мас. % алюминия. Способ включает приготовление шихты путем смешивания титановой губки и алюминиевого полуфабриката, подачу порций шихты в коническую матрицу и последующее проходное прессование. Титановую губку используют в виде сферических тел диаметром 10-25 мм, а алюминиевый полуфабрикат - в виде прутков с соотношением диаметр : длина = 1:1. Отношение линейных размеров алюминиевого полуфабриката к линейным размерам титановой губки составляет 2,5-3,5. Обеспечивается повышение механических свойств электродов. 1 з.п. ф-лы, 6 табл.

Изобретение относится к области металлургии, преимущественно к композиционным материалам на основе нитинола, и предназначено для изготовления деталей микромашин и механизмов, медицинских инструментов. Композиционный материал на основе нитинола содержит, ат. %: Cu - 5-10, Zr - 5-10, Ti - 36-44, Ni - 36-44 и по меньшей мере легирующий один элемент, выбранный из кобальта не меньше 5, иттрия не меньше 2, ниобия не меньше 5 и бора не меньше 1, остальное. Материал имеет двухфазную структуру, состоящую из кристаллической матричной фазы нитинола и аморфной фазы, расположенной по границам зерен матричной фазы. Получают материал диаметром до 5 мм с высокой прочностью и пластичностью, проявляющий эффект суперэластичности. 12 ил., 4 пр.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к свариваемым литейным сплавам на основе титана и предназначенным для изготовления фасонных отливок литых и сварных гребных винтов, рабочих колес водометных движителей, насосов. Литейный сплав на основе титана содержит, мас.%: алюминий 3,5-5,0, углерод 0,02-0,14, кислород 0,05-0,14, водород 0,002-0,008, железо 0,02-0,20, кремний 0,02-0,10, ванадий 1,5-2,5, бор 0,001-0,003, титан и примеси - остальное, при выполнении следующего соотношения Fe+Si≤0,25 мас.%. Сплав характеризуется высокой жидкотекучестью и комплексом механических свойств, обеспечивающих качество и надежность как литых, так и сварных соединений. 2 табл.

Изобретение относится к металлургии, а именно к сплавам на основе титана для изготовления труб, используемым для теплопередающих элементов водяных парогенерирующих аппаратов атомных энергетических установок, нефтеперерабатывающей и нефтехимических предприятий. Сплав на основе титана содержит, мас %: алюминий 1,8-2,5, углерод 0,05-0,10, цирконий 2,0-3,0, железо 0,05-0,25, кремний 0,02-0,05, азот 0,01-0,04, кислород 0,03-0,10, водород 0,002-0,004, палладий 0,05-0,15, титан – остальное. Сплав характеризуется высокой стойкостью против общей, щелевой и питтинговой коррозии в солесодержащих средах с pH 2,5-4,0 и температурой до 250°C. 2 табл., 1 пр.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным сплавам на основе интерметаллидов титана и алюминия, и может быть использовано для изготовления методами литья или обработки давлением изделий, предназначенных для применения в конструкции авиационных газотурбинных двигателей и наземных энергетических установок. Сплав на основе гамма-алюминида титана содержит, мас. %: алюминий 29,0-33,0, ниобий 5,0-9,0, вольфрам 1,0-2,0, молибден 2,0-4,0, ванадий 1,0-3,0, бор 0,003-0,1, титан - остальное. Массовое соотношение молибдена и вольфрама в сплаве составляет 2:1. Сплав может дополнительно содержать железо в количестве от 0,003 до 0,3 мас. % и/или кислород в количестве от 0,003 до 0,15 мас. %. Техническим результатом изобретения является повышение абсолютных и удельных значений пределов прочности и текучести при температурах 20 и 750°С, а также повышение рабочей температуры сплава до 800°С за счет обеспечения термической стабильности структуры и высокого предела длительной прочности. 2 з.п. ф-лы, 2 табл., 7 пр.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам на основе тинана, и может быть использовано при изготовлении тяжелонагруженных деталей и узлов, работающих при температуре до 600°С. Сплав на основе титана содержит, мас. %: алюминий 6,0-8,0, молибден - 0,4-1,3, олово - 1,5-3,5, цирконий 1,0-5,0, железо - 0,05-0,4, ниобий - 0,4-1,4, кремний - 0,1-0,4, тантал - 0,2-1,0, вольфрам - 0,3-1,3, бериллий - 0,01-0,15, титан - остальное. Сплав характеризуется высокими значениями кратковременной прочности при температурах 20°С и 600°С. 2 н.п. ф-лы, 2 табл., 4 пр.

Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно к созданию титановых сплавов, предназначенных для использования в качестве высокопрочного конструкционного термически упрочняемого материала. Сплав на основе титана содержит, мас.%: алюминий 1,5-4,5; ванадий 13,5-19,0; хром 2,0-5,0; олово 2,0-4,0; молибден 0,5-2,5; цирконий 0,5-2,5; ниобий 0,01-0,40; иттрий 0,005-0,150; титан и примеси - остальное. Сплав характеризуется высокими значениями пластичности, термической стабильности и предела ползучести в термически упрочненном состоянии при сохранении значений вязкости разрушения. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 табл., 4 пр.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к альфа/бета титановым сплавам с высокой прочностью и пластичностью. Альфа/бета титановый сплав содержит, мас.%: от 3,9 до 4,5 алюминия, от 2,2 до 3,0 ванадия, от 1,2 до 1,8 железа, от 0,24 до 0,30 кислорода, до 0,08 углерода максимум, до 0,05 азота максимум, до 0,015 водорода максимум, в общей сложности до 0,30 других элементов: менее чем 0,005 каждого из бора и иттрия, не более чем 0,10 каждого из олова, циркония, молибдена, хрома, никеля, кремния, меди, ниобия, тантала, марганца и кобальта, и остальное - титан и случайные примеси. Сплав характеризуется высокими механическими свойствами при снижении веса. 4 н. и 18 з.п. ф-лы, 3 ил., 3 табл., 3 пр.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к титановым сплавам, предназначенным для использования в качестве высокопрочного конструкционного термически упрочняемого материала для изготовления деталей силовых конструкций авиационной и космической техники, энергетических установок, ракет, длительно работающих при температурах до 350°C. Сплав на основе титана содержит, мас. : алюминий 1,0-6,0; молибден 5,0-10,0; ванадий 5,0-10,0; железо 0,3-3,5; хром 0,3-3,5; олово 0,1-2,0; цирконий 0,1-2,0; сера 0,0001-0,30; кислород 0,01-0,20; азот 0,005-0,050; водород 0,003-0,020; углерод 0,005-0,100; кремний 0,01-0,10; титан – остальное. Сплав характеризуется высокими характеристикам трещиностойкости и технологической пластичности. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 табл., 4 пр.

Наверх