ЛИГАТУРА ДЛЯ ВЫПЛАВКИ СЛИТКА ЖАРОПРОЧНОГО СПЛАВА НА ОСНОВЕ ТИТАНА

Изобретение относится к области металлургии цветных металлов, в частности к производству лигатур для выплавки слитка жаропрочного сплава на основе титана.

Известно, что в настоящее время практически во всех отраслях промышленности, в том числе в авиационно-космической, детали и узлы изделий эксплуатируются при высоких нагрузках и повышенных температурах, поэтому их часто выполняют из титановых сплавов. Поскольку титановые сплавы, как правило, имеют сложный многокомпонентный химический состав, то для их получения необходимо применять высококачественную лигатуру. При выплавке многих титановых сплавов применяют одну, а иногда и несколько лигатур, которые добавляют к исходным шихтовым материалам в начале плавки или вводят непосредственно в расплав жидкого титана, для регулирования базового химического состава титанового сплава. Как известно, в данной области техники, лигатура представляет собой смесь легирующих элементов, предназначенных для корректировки процентного содержания необходимых компонентов в расплаве.

Поскольку химический состав титанового сплава известен заранее, то достаточно просто определить, какое количество лигатуры должно быть добавлено для достижения желательного химического состава расплава. Однако следует учитывать, все ли количество добавленной лигатуры будет полностью и равномерным образом распределено в расплаве. Поэтому одна из основных задач - это разработка лигатур, которые будут легко плавиться и равномерно распределяться в расплавленном металле.

При этом в процессе легирования у нас возникают несколько задач, которые нуждаются в решении.

Например, попадание в заданный химический состав осложняется угаром/испарением легирующих элементов в процессе выплавки. Обеспечение равномерного распределения легирующих элементов также затрудняется ликвацией этих элементов. Ввод тугоплавких элементов в расплав осложняется тем, что они усваиваются только посредствам растворения, что сильно затягивает технологическую операцию и приводит к ухудшению свойств материала.

Известны двойные и тройные лигатуры, например: Al-V, Al-Sn, Al-Mo-Ti, Al-Cr-Mo, с помощью которых можно выплавлять практически любые титановые сплавы («Плавка и литье титановых сплавов» Андреев А.Л., Аношкин Н.Ф. и другие. - М.: Металлургия, 1994 г., стр.127, табл.20 /1/).

При выплавке титановых сплавов необходимо обеспечить получение достаточно точного химического состава, поэтому применение двойных или тройных лигатур может привести к превышению требуемого содержания химических элементов, в частности алюминия, из-за его большого содержания в лигатурах.

Известна лигатура для получения титановых сплавов, содержащая следующие компоненты, мас.%: молибден - 23,99; ванадий - 25,44; алюминий - 49,98; железо - 0,19; кремний - 0,22; углерод - 0,06; кислород - 0,07; водород - 0,0017; азот - 0,012 (US 3387971, C22C 21/00, 11.06.1968, /2/).

Недостатком данной лигатуры является необходимость дополнительного введения чистых тугоплавких металлов в расплав, что в условиях вакуумно-дуговой плавки достаточно затруднительно и может привести к непроплавлению отдельных кусков составляющих компонентов, что способствует к появлению такого дефекта, как ликвация по химическому составу.

Одной из самых распространенных проблем в металлургии при выплавке титановых сплавов, содержащих вольфрам, является его неоднородное распределение из-за высокой плотности по сечению и длине слитка или заготовок деталей.

При этом известна (RU 2470084 C1, C22C 35/00, 20.12.2012, /3/) лигатура для выплавки жаропрочного титанового сплава, содержащая вольфрам 48,0-52,0, титан 10,0-20,0, гафний 0,08-0,1, алюминий остальное. Данная лигатура обеспечивает улучшение прочностных и жаростойких характеристик за счет равномерного распределения вольфрама и других легирующих элементов по сечению и длине слитка.

Недостатком является то, что лигатура не обеспечивает достаточную изотропию свойств сплава и равномерное распределение легирующих элементов в нем.

А это необходимо при действующих тенденциях в мире - увеличение требований к изделиям и создания принципиально новых сплавов и лигатур с повышенными прочностными, жаропрочными и жаростойкими характеристиками.

Задачей, на решение которой направленно данное изобретение, является разработка и получение новой лигатуры для выплавки жаропрочных титановых сплавов с повышенными характеристиками, с равномерным содержанием легирующих элементов по сечению и длине слитков (заготовок), что позволит избежать ликвации по химическому составу.

Техническим результатом изобретения является то, что предложенная лигатура обеспечивает равномерное распределение вольфрама и других легирующих элементов по сечению и длине слитка, изотропию свойств. Это способствует улучшению прочностных и жаростойких характеристик, которые непосредственно влияют на работоспособность деталей из титанового сплава. Также техническим результатом является снижение испарения/угара легирующего элемента в процессе выплавки.

На достижение указанного технического результата оказывают влияние следующие существенные признаки.

Лигатура для выплавки слитка титанового сплава на основе титана, содержащая вольфрам, алюминий, титан, отличающаяся тем, что она содержит компоненты при следующем соотношении, мас. %: вольфрам 28-32; алюминий - 28-32; титан - остальное.

В результате разработки данной лигатуры установлено, что наличие в лигатуре вольфрама в данном процентном соотношении позволяет полностью и равномерно растворить его в сплаве, что повышает жаростойкость сплава за счет формирования в структуре плотных оксидных соединений вольфрама, затрудняющих проницаемость кислорода и водорода к границам раздела фаз при повышенных температурах и образования в поверхностном слое легированных твердых растворов титана с вольфрамом.

Содержание алюминия в лигатуре в данном процентном соотношении влияет в первую очередь на снижение общей температуры плавления лигатуры, а также важно для повышения термической стабильности сплава.

Содержание титана в лигатуре в данном процентном соотношении снижает температуру плавления лигатуры, образует интерметаллид с алюминием, что защищает от испарения и угара, дает технологичность лигатуре (т.е. является необходимым связующим звеном для алюминия и вольфрама).

Изготовления лигатуры осуществляют в вакуумной дуговой печи с нерасходуемым вольфрамовым электродом, перед плавкой шихту помещают в медный водоохлаждаемый кристаллизатор, печь закрывают и начинают откачку печи до остаточного давления (0,01÷0,05 мм рт.ст.), по достижении этой степени разряжения в рабочее пространство печи напускают аргон до давления, равного величине атмосферного, далее на первом этапе сплавляют титан и алюминий в пропорции, которая соответствует содержанию этих элементов в лигатуре, до состояния, при котором должно произойти полное растворение шихтующих материалов с образованием единого слитка, при этом на дно медного кристаллизатора помещают алюминий, а на него титан, обладающий более высокой температурой плавления, величина тока дуги между шихтой и электродом составляла 750÷1000 А, при этом время плавки составляло 3÷6 минут, температура расплава на 30÷50°C выше температуры ликвидус сплава Ti-Al, затем к слитку Ti-Al добавляют необходимое количество вольфрама, который размещается над слитком Ti-Al сплава, а для усреднения химического состава слитка его извлекают из кристаллизатора, переворачивают и подвергают повторному переплаву, температура расплава составляет 1750÷1850°C.

В варианте исполнения изготовление лигатуры для выплавки жаропрочного титанового сплава, которая состоит из вольфрама, алюминия, титана, характеризуется тем, что содержит данные компоненты, при следующем соотношении, мас %: вольфрам 28.8; алюминий - 29.1; титан - остальное. При этом ее получение осуществляют в вакуумной дуговой печи с нерасходуемым вольфрамовым электродом, перед плавкой шихту помещают в медный водоохлаждаемый кристаллизатор, печь закрывают и начинают откачку печи до остаточного давления (0,03 мм рт.ст.), по достижении этой степени разряжения в рабочее пространство печи напускают аргон до давления, равного величине атмосферного, далее на первом этапе сплавляют титан и алюминий в пропорции, которая соответствует содержанию этих элементов в лигатуре, до состояния, при котором должно произойти полное растворение шихтующих материалов с образованием единого слитка, при этом на дно медного кристаллизатора помещают алюминий, а на него титан, обладающий более высокой температурой плавления, величина тока дуги между шихтой и электродом составляла 750 А, при этом время плавки составляло 4 минуты, температура расплава на 50°C выше температуры ликвидус сплава Ti-Al, затем к слитку Ti-Al добавляют необходимое количество вольфрама, который размещается над слитком Ti-Al сплава, а для усреднения химического состава слитка его извлекают из кристаллизатора, переворачивают и подвергают повторному переплаву, температура расплава составляет 1800±10°C.

Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает равномерное распределение вольфрама и других легирующих элементов по сечению и длине слитка, изотропию свойств. Это способствует улучшению прочностных и жаростойких характеристик, которые непосредственно влияют на работоспособность деталей из титанового сплава. Также техническим результатом является снижение испарения/угара легирующего элемента в процессе выплавки.