Сплав на основе титана

Изобретение относится к области ультразвуковых технологических систем различного назначения и может быть использовано для создания ультразвуковых электродов, обладающих высоким ресурсом работы. Сплав на основе титана для ультразвуковых волноводов содержит, мас. %: алюминий 5,8-8,0, молибден 2,8-3,8, цирконий 0,6-0,9, кремний 0,20-0,40, железо ≤0,3, кислород ≤0,15, углерод ≤0,1, водород ≤0,015, азот ≤0,05, титан – остальное. При этом он имеет равномерную, мелкодисперсную микроструктуру с размером зерна 0,5-5,0 мкм, содержащую равноосную α-фазу в количестве 40-80% в трансформированной β-матрице без непрерывной сети α-фазы на границах β зерен. Расширяется ультрачастотный диапазон работы волновода в область более высоких частот. Повышается безопасность работы ультразвуковых волноводов и качество выполняемых работ ультразвуковыми электродами, обладающими повышенным ресурсом работы в области высокого ультрачастотного диапазона. 1 з.п. ф-лы, 4 табл.

 

Изобретение относится к области ультразвуковых технологических систем различного назначения и может быть использовано для создания ультразвуковых электродов обладающих высоким ресурсом работы.

Область техники известна из технического решения содержащего волновод, выполненный в виде стержня цилиндрической формы из титанового сплава. (Патент RU 45325, заявка 2005100674 от 11.01.2003 г. МПК В24В 1/04). В данном техническом решении не указан состав сплава титана, из которого изготовлен волновод.

Известно техническое решение, в котором проведены исследования титанового сплава, для использования в качестве волноводов высокоамплитудных акустических систем. В данной работе исследовался промышленный сплав ПТ-3В (4,66 масс. % Al, 1,92 масс. % V) с исходной крупнозернистой структурой (200-400) мкм и ультромелкозернистой (УМЗ) структурой 0,37 мкм, полученной методом интенсивной пластической деформации - методом всестороннего прессования в интервале температур 1073-773 К. Данный сплав широко используется для изготовления акустических волноводов, ультразвуковых систем различного назначения. (Е.Н. Найденкин и др. «Титановый сплав ПТ-3В с ультрадисперсной структурой для волноводов высокоамплитудных акустических систем». Вопросы материаловедения, 2009 г. №4, стр 15-19). Выполнено сравнительное исследование структуры, механических и акустических свойств сплава ПТ-3В в крупнокристаллическом и ультрамелкозернистом состояниях. Методом всестороннего прессования в титановом сплаве ПТ-3В была сформирована однородная ультрамелкозернистая структура со средним размером элементов зеренно-субзеренной структуры 0,37 мкм. В результате существенно повысились механические свойства исследуемого материала. Так, микротвердость ультрамелкозернистого сплава увеличивается примерно на 25%, а разрушение волноводов из этого материала происходит при подводимой мощности ультразвука в 1,5-2 раза большей по сравнению с волноводом из крупнозернистого сплава. Значительно увеличивается ресурс работы при многоцикловой нагрузке таких волноводов в условиях повышенной плотности мощности ультразвуковой системы. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.

Недостаток использования сплавов на основе титана ПТ-3В в качестве волновода заключается в недостаточном ресурсе работы в условиях повышенной частоты ультразвуковых колебаний (УЗК).

Задачей заявляемого решения является повышение безопасности работы ультразвуковых волноводов, повышение качества выполняемых работ ультразвуковыми электродами обладающими повышенным ресурсом работы в области высокого ультрачастотного диапазона.

Технический результат, достигаемый в процессе решения поставленной задачи, заключается в расширение ультрачастотного диапазона работы волновода в область более высоких частот.

Технический результат достигается сплавом на основе титана для ультразвуковых волноводов, содержащий алюминий, при этом дополнительно содержит молибден, цирконий, кремний, железо, кислород, углерод, водород и азот, при следующем соотношение компонентов, мас. %:

Алюминий 5,8-8,0
Молибден 2,8-3,8
Цирконий 0,6-0,9
Кремний 0,20-0,40
Железо ≤0,3
Кислород ≤0,15
Углерод ≤0,1
Водород ≤0,015
Азот ≤0,05
Титан остальное,

при этом он имеет равномерную, мелкодисперсную микроструктуру с размером зерна (0,5-5,0) мкм, содержащую равноосную α-фазу в количестве (40-80) % в трансформированной β-матрице без непрерывной сети α-фазы на границах β зерен. Кроме этого сплав имеет предел прочности на разрыв не менее 1200 МПа при соотношении параметров σ0,2B, не менее 0,9, где σ0,2 - предел текучести, МПа, σB - предел прочности, МПа.

Традиционно упрочнение титановых сплавов достигается их легированием, термомеханической обработкой, т.е. за счет управления химическим составом и фазово-структурными превращениями. Новым эффективным способом повышения физико-механических свойств промышленных металлов и сплавов является создание в них ультрамелкозернистых (УМЗ) структур с использованием методов интенсивной пластической деформации (ИПД), которые позволяют достигать очень больших пластических деформаций при относительно низких температурах (обычно 0,3…0,4 Тпл, К) в условиях высоких приложенных давлений. (Валиев Р.З, Александров И.В. Наноструктурные материалы, подвергнутые интенсивной пластической деформации. М.: Логос, 2000. - 272 с.). Проведенные исследования (Малыгин Г.А. Физика твердого тела. 6 (49), стр. 961-982, 2007 г.) показывают, что получение ультрамелкозернистой структуры со средним размером зерна менее 1 мкм в конструкционных сплавах позволяет, с одной стороны, значительно повысить их характеристики прочности, сопротивление усталости, износостойкость, с другой стороны, практическое применение таких материалов сдерживает рядом недостатков, к которым в первую очередь следует отнести пониженную термостабильность, ударную вязкость, циклическую трещиностойкость, повышенную чувствительность к концентраторам напряжений, а также порообразование при циклических нагрузках в зоне наибольших напряжений (приповерхностной зоне).

Расширение ультрачастотного диапазона работы волновода в область более высоких частот в предлагаемом сплаве для волноводов высокоамплитудных акустических систем достигается за счет создания разнозеренной структуры, имеющей повышенную сопротивляемость разрушению при циклических нагрузках изменяющихся с высокой частотой Сплав должен иметь не только УМЗ структуру, но данная структура должна максимально противостоять разрушению при воздействии на материал высокочастотных ультразвуковых колебаний.

При разработке структуры сплава авторами были использованы основные положения механики разрушения твердых тел. Рассматривался механизм разрушения применительно к титановому сплаву имеющего различную структуру подвергаемого циклическим напряжениям сжатия и растяжения с высокой частотой. Прежде всего, необходимо отметить, что ультразвуковые колебания в волноводе создают зоны сжатия и растяжения, величина данных зон напряжений в материале зависит от параметров УЗК, частоты и амплитуды. Процесс разрушения волновода из титанового сплава в результате действия ультразвуковых колебаний многостадиен. Он начинается в дефектных местах кристаллической решетки, где имеются нарушения ее периодичности, и проходит последовательно следующие стадии: скопление дефектов, приводящее к локальной концентрации напряжений; образование зародышевых микротрещин, т.е. разрывов сплошностей кристаллической решетки в отдельных участках; развитие и объединение зародышевых микротрещин вплоть до образования магистральных трещин разрушения; разрушение волновода на несколько частей. Свойства структуры сплава должны быть такими, что бы максимально сопротивляться разрушения на каждой из указанных стадий.

В прототипе исследовался сплав с исходной зернистость 200-400 мкм и сплав с ультромелкозернистой структурой, полученной методом интенсивной пластической деформации - методом всестороннего прессования в интервале температур 1073-773 К, зернистостью 0,37 мкм.

Очевидно, что на стадии скопления дефектов, сплав с высокой зернистостью 200-400 мкм, имеющий больший размер кристаллитов, и больший размер границ между отдельными кристаллами будет противостоять УЗК лучше, чем сплав с УМЗ структурой имеющий значительно больше дефектов в структуре. Но стадия образования зародышевых микротрещин, т.е. разрывов сплошностей кристаллической решетки в отдельных участках, в сплаве с УМЗ структурой от действия ультразвуковых колебаний будет проходить значительной дольше, чем в сплавах имеющих большой размер зерна. Практически данная стадия и определяет работоспособность волновода. Это обусловлено способностью УМЗ структуры противостоять напряжениям, возникающим в материале при УЗК, микрообъемы которого периодически сжимаются и растягиваются. Чтобы получить разрыв сплошностей в крупнозернистом сплаве, размером 400 мкм, достаточно транскристаллитного разрушения одного крупного зерна, или интеркристаллитного разрушения границ двух зерен, тогда как в сплаве с УМЗ структурой для этого микроразрыву потребуется пройти 1000 зерен и межзеренных границ. Следовательно, и энергии на получение такого разрыва сплошностей потребуется в 1000 раз больше. Размеры разрывов сплошностей в крупнозернистом сплаве будут на два-три порядка больше, чем в сплаве с УМЗ структурой, а, следовательно, их подрастание до микротрещин и выход на поверхность будет происходить быстрее.

Иной характер разрушения титанового сплава происходит в сплаве имеющем равномерную, мелкодисперсную микроструктуру с размером зерна (0,5-5,0) мкм, содержащую равноосную α-фазу в количестве (40-80)% в трансформированной β-матрице без наличия непрерывной сети α-фазы на границах β зерен.

На стадии скопления дефектов, в которой происходит увеличение локальной концентрации напряжений, сплав с разнозеренной структурой имеющий в структуре субмелкие и мелкие зерна будет противостоять значительно дольше, чем сплав, имеющий УМЗ структуру. Это объясняется тем, что структура сплава имеет меньшую дефектность. На второй стадии разрушения, зародившиеся микроразрывы на субмелких зернах, при своем подрастании будут тормозится на мелких зернах, в то время как на сплавах с УМЗ период торможения будет значительно меньше, так как зародившийся микроразрыв соизмерим с размером соседнего зерна. Наличие в структуре зерен с различным размером из различных фаз, имеющих различные параметры кристаллических решеток, будут создавать в сплаве границы зерен с различной степенью напряженности, что создаст дополнительное препятствие при развитии микротрещин. Таким образом, разнозернистая структура сплава имеет большую способность сопротивляться разрушению на каждой указанной ранее стадии механизма разрушения.

Сплав имеет повышенную ударную вязкость и циклическую трещиностойкость, пониженную чувствительность к концентраторам напряжений, а также пониженное порообразование при циклических нагрузках в зоне наибольших напряжений. Такие свойства достигаются увеличением процентного содержания алюминия, а также замена ванадия молибденом, получением оптимального сочетания α и β стабилизирующих элементов в сплаве. Это позволяет увеличить прочность материала на 20% по сравнению с промышленным сплавом ПТ-3В, а также улучшить усталостные свойства. Увеличение прочности и улучшение усталостных свойств приводит к тому, что волновод может работать большее время и при более высоких нагрузках. С целью увеличения и стабилизации альфа-фазы, в сплав было добавлено относительно высокое количество алюминия, и 0,6-0,9% циркония. За счет добавления циркония происходит стабилизация альфа-фазы, что в свою очередь увеличивает прочность сплава и его сопротивление ползучести, что в конечном итоге приводит к увеличению срока службы волновода. Дополнительно цирконий улучшает коррозионную стойкость материала. Оптимальное содержание альфа- и бета-фазы также дает лучший контроль микроструктуры в процессе термомеханической обработки сплава, что позволяет получать сплавы для изготовления волноводов работающих на высоких частотах. Наличие однородной микроструктуры необходимо для получения равномерных акустических свойств по всему объему материала, что является одним из важнейших условий для производства волноводов. Сравнительные испытания.

Был подготовлен образец ступенчатого волновода из заявляемого сплава с выходным диаметром 8 мм (по аналогии с прототипом). Параметры состава титанового сплава представлены в таблице 1.

Были проведены испытания по определению предельного времени работы волновода до разрушения при тех же параметрах, что и в прототипе: частота 21 кГц, мощность 600 Вт.Колебания в образце возбуждались с помощью ультрозвуковых преобразователей. Образец из предлагаемого сплава не разрушился в течении 4 часов испытаний. Прототип при тех же условиях проработал всего лишь 1320 секунд (Е.Н. Найденкин и др. «Титановый сплав ПТ-3В с ультрадисперсной структурой для волноводов высокоамплитудных акустических систем». Вопросы материаловедения, 2009 г. №4, стр 15-19). Данные испытания показывают, что предлагаемый сплав имеет значительно больший ресурс работы по сравнению с прототипом.

Дале было подготовлено 5 заготовок с составом представленным в таблице 2.

В последствии каждая заготовка подвергалась ковке включающем этапы ковки при температуре выше температуры полного полиморфного превращения, и при температуре ниже полиморфного превращения, охлаждение заготовки после этапа ковки, при этом на первом этапе нагревают заготовку из титанового сплава до температуры выше температуры полного полиморфного превращения T1β+(40÷130)°C, где Тβ - температура фазового альфа-бета перехода, проводят ковку с деформацией при вращении заготовки вокруг своей оси последовательно по схеме 90°-45°-22°, проводят закалку заготовки в воду, на втором этапе нагревают заготовку из титанового сплава до температуры ниже полиморфного превращения Т2β-(0÷60)°С, проводят ковку с деформацией при вращении заготовки вокруг своей оси последовательно по схеме 90°-45°-22°, проводят быстрое охлождение заготовки в воду, на третьем этапе нагревают заготовку из титанового сплава до температуры T1β+(40÷130)°С, проводят ковку с деформацией при вращении заготовки вокруг своей оси последовательно по схеме 90°-45°-22°, проводят закалку заготовки в воду, после третьего этапа ковки проводят разделение заготовки на две равные части по длине, на четвертом этапе проводят нагрев заготовки до температуры Т2β-(0÷60)°C, проводят ковку с деформацией, при повороте заготовки вокруг своей оси каждый раз на 90° и чередуя усилия ковки при каждом повороте, большие усилия на большей площади, меньшие усилия на меньшей площади, формируя из круглой заготовки прямоугольную заготовку, на пятом, на шестом, на седьмом, восьмом и девятом этапах нагревают заготовки до температуры Т2β-(0÷60)°С, проводят ковку с деформацией при повороте заготовки вокруг своей оси каждый раз на 90° и чередуя усилия ковки при каждом повороте, большие усилия на большей площади, меньшие усилия на меньшей площади, полученный прямоугольный пруток подвергают отжигу при температуре 850°С в течении часа. Все заготовки обрабатывались по единому процессу. Были определены физико-механические свойства. Результаты представлены в таблице 3.

Были изготовлены волноводы и проводились испытания в производственных условиях на ультрозвуковом сварочном аппарате USP750. Использовались следующие режимы: сила прижатия 750 Н, частота 35 kHz, мощность 1 кВт. Таким образом был определен оптимальный состав титанового сплава для волноводов. Результаты испытаний представлены в таблице 4.

Сваривали пластмассу, материал отлично сваривается. После 9 месяцев работы сварочного оборудования, провели ультрозвуковой контроль волновода по стандарту AMS 2631 класс АА. Дефекты не обнаружены, что подтверждает высокий ресурс работы волновода. Предлагаемый титановый сплав химического состава при сохранении мелкодисперсной микроструктуры позволяет значительно увеличить ресурс работы волновода.

1. Сплав на основе титана для ультразвуковых волноводов, содержащий алюминий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит молибден, цирконий, кремний, железо, кислород, углерод, водород и азот, при следующем соотношение компонентов, мас. %:

Алюминий 5,8-8,0
Молибден 2,8-3,8
Цирконий 0,6-0,9
Кремний 0,20-0,40
Железо ≤0,3
Кислород ≤0,15
Углерод ≤0,1
Водород ≤0,015
Азот ≤0,05
Титан остальное,

при этом он имеет равномерную, мелкодисперсную микроструктуру с размером зерна 0,5-5,0 мкм, содержащую равноосную α-фазу в количестве 40-80% в трансформированной β-матрице без непрерывной сети α-фазы на границах β зерен.

2. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что он имеет предел прочности на разрыв не менее 1200 МПа и соотношение σ0,2B не менее 0,9, где σ0,2 - предел текучести, МПа, σB - предел прочности, МПа.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии титановых сплавов и может быть использовано для деталей и узлов ракетных и авиационных двигателей, работающих под высокими нагрузками при температурах до 1000°С, в частности для высокотемпературных изделий газотурбинных двигателей (ГТД).

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при производстве сплава Ti-Al с низким содержанием кислорода. Способ осуществляют в охлаждаемом водой медном сосуде плавлением сплава Ti-Al, содержащего не меньше 40 мас.% Al и полученного с использованием материала сплава, состоящего из титанового материала и алюминиевого материала, причем этот материал сплава содержит кислород в общем количестве 0,1 мас.% или больше, а раскисление осуществляют путем выдержки в атмосфере с давлением не менее 1,33 Па.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к титановым сплавам с высокой коррозионной стойкостью, и может быть использовано для производства компонентов системы производства и/или извлечения нефти и газа.

Изобретение относится к метрологии, в частности к способам определения механических и физических свойств титановых сплавов. Способ выбора титанового сплава для ультразвукового волновода заключается в том, что определяют механические и физические свойства и структуру сплавов, при этом определяют предел прочности на разрыв σВ, предел текучести σ0,2, скорость звука в двух взаимно перпендикулярных направлениях и выбирают сплав с пределом прочности на разрыв не менее 1200 МПа, отношением σ0,2/σВ в пределах 0,9-0,95, скоростью звука не менее 6150 м/с в обоих направлениях и различием скоростей не более чем на 50 м/с.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к титановым сплавам, и может быть использовано для изготовления деталей воздушного судна. Титановый сплав содержит, мас.%: алюминий 0,5-1,6, ванадий 2,5-5,3, кремний 0,1-0,5, железо 0,05-0,5, кислород 0,1-0,25, углерод до 0,2, титан и случайные примеси - остальное, при этом он имеет предел текучести 550-850 МПа, предел прочности на растяжение 600-900 МПа, баллистическую стойкость к ударным нагрузкам при баллистическом пределе V50, составляющую более 120 м/с и обрабатываемость при производительности токарной обработки V15 выше 125 м/мин.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокопрочным титановым сплавам, имеющим высокую удельную прочность. Высокопрочный титановый сплав с альфа-бета-структурой содержит, мас.%: Аl 4,7-6,0, V 6,5-8,0, Si 0,15-0,6, Fe ≤0,3, O 0,15-0,23, Ti и случайные примеси – остальное.

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 области металлургии и касается составов сплавов на основе титана, которые могут быть использованы в машиностроении. Сплав на основе титана содержит, мас.%: алюминий 1,5-3,0; молибден 10,0-12,0; медь 0,5-1,5; кремний 0,15-0,3; хром 3,5-4,3; ниобий 1,0-2,0; рутений 4,0-4,5; титан - остальное.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам сплавов на основе титана, которые могут быть использованы для изготовления деталей летательных аппаратов, труб, морской арматуры, насосов, компрессоров.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к титансодержащему материалу, и может быть использовано для изготовления сепаратора топливной ячейки. Титансодержащий материал для сепаратора топливной ячейки содержит титановый основной материал, состоящий из титана или титанового сплава и содержащий гидрид титана слой на титановом основном материале и оксид титана слой на упомянутом содержащем гидрид титана слое.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к титановым композиционным материалам. Титановый композиционный материал содержит внутренний слой, содержащий технически чистый титан или титановый сплав, наружный слой, сформированный на по меньшей мере одной прокатываемой поверхности внутреннего слоя и имеющий химический состав, который отличается от химического состава внутреннего слоя, и промежуточный слой, сформированный между внутренним слоем и наружным слоем и имеющий химический состав, который отличается от химического состава внутреннего слоя. Наружный слой имеет толщину 2 мкм или больше, а доля наружного слоя относительно общей толщины составляет не более чем 40% в расчете на одну сторону. Толщина промежуточного слоя составляет 0,5 мкм или более. Титановый материал для горячей прокатки содержит основной металл, содержащий технически чистый титан или титановый сплав, материал наружного слоя, который связан с по меньшей мере одной прокатываемой поверхностью основного металла, и зону сварного шва, которая соединяет периферии основного металла и материала наружного слоя. Материал наружного слоя имеет химический состав, который отличается от химического состава основного металла, и зона сварного шва блокирует границу раздела между основным металлом и материалом наружного слоя от внешнего воздуха. Титановый композиционный материал и титановый материал для горячей прокатки характеризуются высокими значениями коррозионной стойкости, стойкости к окислению, сопротивлению усталости, стойкости к водородному охрупчиванию и экранированию нейтронов. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 9 ил., 32 табл., 142 пр.

Изобретение относится к области ультразвуковых технологических систем различного назначения и может быть использовано для создания ультразвуковых электродов, обладающих высоким ресурсом работы. Сплав на основе титана для ультразвуковых волноводов содержит, мас. : алюминий 5,8-8,0, молибден 2,8-3,8, цирконий 0,6-0,9, кремний 0,20-0,40, железо ≤0,3, кислород ≤0,15, углерод ≤0,1, водород ≤0,015, азот ≤0,05, титан – остальное. При этом он имеет равномерную, мелкодисперсную микроструктуру с размером зерна 0,5-5,0 мкм, содержащую равноосную α-фазу в количестве 40-80 в трансформированной β-матрице без непрерывной сети α-фазы на границах β зерен. Расширяется ультрачастотный диапазон работы волновода в область более высоких частот. Повышается безопасность работы ультразвуковых волноводов и качество выполняемых работ ультразвуковыми электродами, обладающими повышенным ресурсом работы в области высокого ультрачастотного диапазона. 1 з.п. ф-лы, 4 табл.

Наверх