Лигатура для выплавки титановых сплавов

Изобретение относится к области металлургии, в частности к лигатурам, предназначенным для легирования сплавов на основе титана. Лигатура для выплавки титановых сплавов, содержит, масс. %: ванадий 45-60; железо 6-10; углерод 2,5-3,5; алюминий и неизбежные примеси - остальное. Лигатура характеризуется низким содержанием кислорода, а также низкой механической прочностью лигатуры, что облегчает процесс ее дробления и очистки от шлака. 2 табл.

 

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к составам лигатур, предназначенных для легирования сплавов на основе титана.

Титановые сплавы нашли широкое применение в строительстве различной техники благодаря высокой коррозийной стойкости, механической прочности, жаропрочности, малому удельному весу и множеству других характеристик. На сегодняшний день существуют различные методы получения слитков из титановых сплавов. Однако длительное время основным промышленным методом производства слитков из титановых сплавов является вакуумный дуговой переплав (ВДП), и до сих пор главным образом этот процесс утвержден разработчиками материалов и производителями техники. Легирование титана в процессе выплавки слитков методом вакуумного дугового переплава представляет собой достаточно сложную техническую проблему, поскольку при производстве легированных титановых сплавов в их состав вводят элементы, значительно отличающиеся от основного металла по ряду физических свойств, таких как температура плавления, плотность, растворимость в титане и т.п. Использование в шихте чистых металлов может приводить к появлению включений в самих полуфабрикатах. Поэтому для легирования, как правило, применяют лигатуры, содержащие несколько компонентов, которые входят в качестве легирующих элементов в состав выплавляемого сплава. При этом для получения качественного слитка лигатуры должны соответствовать общим требованиям, предъявляемым к шихтовым материалам, которые используются для вакуумной дуговой плавки титана: близкой к титану плотностью и температурой плавления, высокой растворимостью в титане, а также обладать хрупкостью и низкой механической прочностью для улучшения процесса дробления. Наиболее широко в настоящее время применяют лигатуры, полученные методом алюминотермического восстановления металлов из окислов. Производство данных лигатур, используемых для изготовления титановых сплавов в промышленных масштабах, экономически оправдано только этим способом.

Известна лигатура для производства титановых сплавов, содержащая, масс. %)

Ванадий 70-95
Алюминий 4,5-25
Железо 0,5-10

(а.с. СССР №429125, опубл. 25.05.1974).

Известная лигатура упрощает введение железа в титановый сплав, однако в составе лигатуры отсутствует углерод, добавки которого используют для повышения прочности титановых сплавов. При этом введение углерода в чистом виде невозможно из-за значительной разности физико-химических свойств титана и углерода, исключающей равномерное распределение углерода в титановом слитке.

Известна лигатура следующего химического состава, масс. %:

Ванадий 60-70
Углерод 1-4
Алюминий остальное

(а.с. СССР №515821, опубл. 30.05.1976).

Кинетические и термодинамические особенности взаимодействия чистого углерода с расплавом в условиях алюминотермической плавки накладывают ограничения на предельное насыщение лигатуры углеродом. Это связано с выгоранием части углерода и неоднородностью его распределения в лигатуре. В данном случае усвоение углерода в известной лигатуре осуществляется за счет повышенного содержания ванадия. Установлено, что для получения в лигатуре требуемого содержания углерода необходимо отношение ванадия к углероду не менее 20. Однако повышенное содержание ванадия препятствует широкому использованию лигатуры, которая может применяться только для ограниченного числа титановых сплавов. Соответственно, снижение содержания ванадия способствует универсальности лигатуры.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является лигатура, содержащая, масс. %:

ванадий 40-50
титан 5-20
углерод 3-5,
алюминий остальное

(патент РФ №2547376, опубл. 10.04.2015).

В состав прототипа введен титан, легко образующий с углеродом карбиды. Введение титана в качестве карбидообразующей добавки позволило изменить соотношение между ванадием и углеродом в лигатуре, что дало возможность уменьшить содержание ванадия и повысить содержание углерода. Однако наличие прочных карбидных и оксикарбидных соединений титана, препятствующих равномерному распределению углерода в лигатуре и титановом слитке, повышает механическую прочность лигатуры и увеличивает содержание кислорода в лигатуре и, соответственно, в слитке. Кроме того, отсутствие железа в составе прототипа приводит к необходимости его дополнительного введения в титановые сплавы в чистом виде или железосодержащей лигатуры, что значительно усложняет технологический процесс получения слитка.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка состава лигатуры, позволяющей улучшить качество слитков из титановых сплавов и уменьшить затраты на их изготовление.

Техническими результатами, достигаемыми при осуществлении изобретения, являются снижение содержания кислорода в лигатуре, что позволяет увеличить процент вовлечения отходов при выплавке титановых слитков, а также пониженная механическая прочность лигатуры, способствующая улучшению процессов ее дробления и очистки от шлака. Кроме того, заявляемая лигатура имеет более близкие к титану плотность и температуру плавления, что положительно влияет на однородность выплавляемых титановых слитков.

Указанный технический результат достигается тем, что лигатура для выплавки титановых сплавов, содержащая ванадий, алюминий, углерод и неизбежные примеси, согласно изобретению дополнительно содержит железо при следующем соотношении компонентов, масс. %:

Ванадий 45-60
Железо 6-10
Углерод 2,5-3,5
Алюминий и неизбежные примеси остальное

Сущность изобретения основана на применении карбидообразующей добавки, уменьшающей соотношение ванадия и углерода. В качестве карбидообразующей добавки, в отличие от использующегося в прототипе титана, введено железо в количестве 6-10 масс. %. Железо, являясь активным растворителем восстанавливаемых металлов, в отличие от трудновосстановимого оксида титана, оказывает значительное влияние на сдвиг равновесия реакции восстановления. Растворяя восстановленные элементы, железо понижает их активность, что в соответствии с константой равновесия реакции приводит к смещению равновесия в сторону восстановления. При этом железо выводит восстановленные элементы из зоны реакции, тем самым препятствует протеканию окислению и испарению элементов. Таким образом, железо не образует оксикарбидных фаз в ходе алюмотермической плавки, что приводит к снижению в лигатуре содержания кислорода. Кроме того, железо понижает температуру плавления металлического расплава, что позволяет вести плавку при более низкой температуре. Углерод в состав лигатуры вводится в концентрационном диапазоне 2,5-3,5 масс. %. Данная концентрация углерода необходима для осуществления легирования большинства титановых сплавов, содержащих углерод в заданных количествах. Соотношение ванадия и алюминия в лигатуре обеспечивает требуемый уровень данных элементов в титановых сплавах.

Промышленную применимость изобретения подтверждает пример его конкретного выполнения.

Предложенная лигатура была изготовлена методом внепечной алюминотермической плавки. Для получения предлагаемой лигатуры была приготовлена шихта, содержащая окислы ванадия, порошок алюминия, порошок железа, тигельный графит, оксид кальция, фторид кальция. В результате из данной шихты была выплавлена партия лигатуры в количестве 230 кг. Полученная лигатура была подвергнута определению химического состава и физических характеристик. Результаты определения химического состава предлагаемой лигатуры приведены в табл. 1, содержание кислорода и показатели физических характеристик в сравнении с прототипом представлены в табл. 2.

Затем полученную лигатуру использовали для выплавки промышленных слитков диаметром 870 мм и массой 4000 кг из титанового сплава Ti-6Al-4V, дополнительно легированного железом и углеродом для повышения прочности. Благодаря более низкой концентрации кислорода в предлагаемой лигатуре по сравнению с прототипом в шихту титанового слитка вовлекли на 12% больше вторичных шихтовых материалов. С целью оценки распределения химических элементов в промышленных слитках были проанализированы пробы от четырех сечений по высоте слитка. По результатам анализов разброс содержания углерода не превысил 0,004% (абс.) во всем объеме слитка при целевом содержании его 0,02%, а разброс содержаний железа в объеме слитка не превысил 0,04% (абс.) при его целевом содержании 0,2%, что характеризует высокую химическую однородность слитков. Из слитка изготовили прутки диаметром 152 мм. Качество полученных слитков и прутков в полной мере соответствовало нормативно-технической документации.

Таким образом, использование предлагаемой лигатуры способствует повышению качества слитков из титановых сплавов и снижению затрат на их изготовление.

Лигатура для выплавки титановых сплавов, содержащая ванадий, углерод, алюминий и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит железо при следующем соотношении компонентов, масс. %:

Ванадий 45-60
Железо 6-10
Углерод 2,5-3,5
Алюминий и неизбежные примеси остальное



 

Похожие патенты:

Группа изобретений относится к получению жаропрочного сплава на основе интерметаллида Nb3Al. В способе по варианту 1 шихту, содержащую оксиды Nb2O5 и Al2O3 и гидрид кальция, термически обрабатывают при температуре 1100-1300°C в течение не менее 6 часов с обеспечением гидридно-кальциевого синтеза порошка сплава на основе интерметаллида Nb3Al, который обрабатывают водой и раствором соляной кислоты, сушат и классифицируют.

Изобретение относится к области металлургии и касается составов сплавов на основе ниобия, которые могут быть использованы для изготовления деталей двигателей и других изделий.

Изобретение относится к получению заготовок из тугоплавких и жаропрочных сплавов на основе интерметаллидов системы Nb-Al, предназначенных для изготовления деталей с повышенными рабочими температурами эксплуатации.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству жаропрочных сплавов на основе ниобия, которые могут быть использованы для изготовления рабочих лопаток ГТД.
Изобретение относится к получению композитного титан-ниобиевого порошка для аддитивных технологий. Способ включает механическую активацию смеси порошков титана и ниобия с добавлением противоагломерирующего компонента.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам сплавов на основе тантала, которые могут быть использованы в химической, текстильной, ювелирной промышленности.

Изобретение относится к металлургии, а именно к прецизионным сплавам для получения 3d-изделий сложной формы и функциональных покрытий методом гетерофазного переноса.

Изобретение относится к обработке ванадиевых сплавов, легированных элементами IVB группы, содержащих элементы замещения Cr, W и элементы внедрения С, О, N в количестве не менее 0,04 мас.%.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству жаропрочных сплавов на основе ниобия, которые могут быть использованы для изготовления рабочих лопаток ГТД.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при производстве титановых сплавов. Лигатура для титановых сплавов содержит, мас.%: ванадий 30-50, углерод 1-4, молибден 5-25, титан 5-20, алюминий 20-50, примеси - остальное.

Изобретение относится к области металлургии цветных металлов, в частности к электролитическому производству алюминия, и может быть использовано в процессах подготовки алюминиевых сплавов с высоким содержанием кремния (силуминов) марок АК5М2, АК7, АК7пч, АК8М3, АК9, АК12 и других.

Группа изобретений относится к получению тела из металлической пены, которое содержит подложку, изготовленную по меньшей мере из одного металла или металлического сплава A и слой металла или металлического сплава B, присутствующего на по меньшей мере одном участке поверхности подложки, причем A и B отличаются размером зерна металла или металлического сплава.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к спеченным материалам на основе меди. Может использоваться для изготовления деталей машин, работающих в условиях трения.

Изобретение относится к получению пористого сплава на основе никелида титана. Способ включает спекание шихты из порошка никелида титана марки ПВ-Н55Т45С в электровакуумной печи.

Изобретение относится к изделиям из алюминиевого сплава и способу их получения в виде полосы, которая, в частности, является заготовкой для корпусов банок или их торцов.

Изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно к составам спеченных антифрикционных материалов. Может использоваться в машиностроении.

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано для изготовления эффективных термо- и вторичноэмиссионных катодов для мощных приборов СВЧ-электроники, в частности ламп бегущей волны, магнетронов и т.п.

Изобретение относится к области полупроводниковых материалов с модифицированными электрическими свойствами. Способ получения низкотемпературного термоэлетрика на основе сплава Bi88Sb12 с добавками гадолиния включает помещение навески сплава Bi88Sb12 и металлического гадолиния в количестве 0,01-0,1 ат.% в стеклянную ампулу, из которой откачивают воздух до 10-3 мм рт.

Изобретение относится к получению металлокерамической порошковой композиции, использующейся для изготовления деталей методом аддитивных технологий. Способ включает приготовление порошковой смеси и механический синтез смеси в планетарной мельнице.

Изобретение относится к области специальной металлургии, в частности к получению электродов из высоколегированных сплавов на основе алюминидов никеля. Способ включает получение полуфабриката методом центробежного СВС-литья с использованием реакционной смеси, содержащей оксид никеля, алюминий, легирующие и функциональные добавки, и последующий двухстадийный переплав полуфабриката с получением на первой стадии рафинированного дегазированного слитка, а на второй стадии - электрода.
Группа изобретений относится к композитам с алюминиевой матрицей и упрочняющими наночастицами карбида титана. Композит содержит упрочняющие наночастицы карбида титана округлой формы размером 5-500 нм в количестве 1-50 об. % от всего объема композита и алюминиевую матрицу, имеющую литую структуру. Способ включает получение композиционных гранул механическим легированием смеси, содержащей первый прекурсор для синтеза карбида титана, состоящий из наноалмазного порошка, второй прекурсор для синтеза карбида титана в виде порошка титана и алюминий в качестве материала матрицы в количестве 20-60 мас. % в течение 1-10 ч с обеспечением "in situ" синтеза упрочняющих наночастиц карбида титана. Полученные композиционные гранулы помещают в расплав алюминия или алюминиевого сплава, перемешивают и осуществляют кристаллизацию с образованием литой структуры матрицы. Обеспечивается улучшение механических характеристик композита. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 6 пр.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к лигатурам, предназначенным для легирования сплавов на основе титана. Лигатура для выплавки титановых сплавов, содержит, масс. : ванадий 45-60; железо 6-10; углерод 2,5-3,5; алюминий и неизбежные примеси - остальное. Лигатура характеризуется низким содержанием кислорода, а также низкой механической прочностью лигатуры, что облегчает процесс ее дробления и очистки от шлака. 2 табл.

Наверх