Результат интеллектуальной деятельности: СВАРИВАЕМЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА

Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к производству титановых сплавов, и может быть использовано для изготовления деформированных полуфабрикатов - фольги, ленты, листов, труб (включая сварные), колец, прутков, поковок, а также отливок, предназначенных для изготовления деталей энергетического и транспортного машиностроения, авиационной и космической техники с рабочими температурами в интервале от -196 до 450°C.

Из уровня техники известен свариваемый сплав на основе титана (патент США 3833363, МПК С22С 14/00, опубл. 03.09.1974 г.), имеющий следующий химический состав, масс. %:

Из указанного сплава изготавливают полуфабрикаты: листы, прутки, кольца, поковки, отливки, предназначенные для изготовления деталей и узлов (включая сварные) реактивных двигателей и планера, детали турбин энергетических установок, длительно работающих при температурах от -60 до 500°C. Недостатком сплава является низкий уровень технологической пластичности, особенно при температурах «холодной» и «теплой» деформации, что не позволяет изготавливать из него фольгу и тонкостенные трубы. Кроме этого, высокое содержание алюминия и молибдена не позволяет применять сплав при температурах ниже -70°C из-за хладноломкости.

Из уровня техники также известен свариваемый сплав на основе титана (Grade 28 ELI), содержащий компоненты, масс. %: алюминий 2,5-3,5, ванадий 2,0-3,0, рутений 0,08-0,14, склонный к наводораживанию при длительной эксплуатации в среде с атомарным водородом (Materials Properties Handbook: Titanium Alloys, Eds. Boyer et al., ASM International, Materials Park, OH, 1994, p. 264). Из указанного сплава изготавливают полуфабрикаты: фольгу, ленту, листы, кольца, прутки, поковки, отливки, предназначенные для изготовления деталей и узлов (включая сварные) реактивных двигателей и планера, детали турбин энергетических установок длительно работающих при температурах от -196 до 300°C. Основными недостатками сплава являются низкий уровень прочности, особенно при температурах выше 300°C, что ограничивает применение сплава.

Наиболее близким аналогом (патент РФ 2082804, МПК С22С 14/00, опубл. 27.06.1997 г.), взятым за прототип, является свариваемый сплав на основе титана, имеющий следующий химический состав, масс. %:

Из сплава-прототипа изготавливают полуфабрикаты: листы, кольца, прутки, поковки, трубы, предназначенные для изготовления деталей и узлов (включая сварные) авиационной и космической техники, работающие в интервале температур от -196 до 400°C. Недостатком сплава-прототипа является низкий уровень технологической пластичности (вследствие наличия кислорода более 0,25% и алюминия более 4,5%), особенно при температурах «холодной» (при температуре около 20°C) и «теплой» (при температурах до 700°C) деформации, что не позволяет изготавливать из него фольгу и тонкостенные трубы.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание свариваемого сплава на основе титана, обладающего повышенными характеристиками технологической пластичности при сохранении высоких значений прочностных характеристик в интервале температур от -196 до 450°C.

Технический результат заключается в увеличении значения рабочей температуры применения, уровня пластичности, прочностных характеристик и технологической пластичности более чем на 10%.

Сущность изобретения заключается в том, что в свариваемом сплаве на основе титана, содержащем алюминий, ванадий, железо, цирконий, кислород и молибден, дополнительно содержится ниобий, кремний и углерод при следующем соотношении компонентов, масс. %:

Кроме того, суммарное содержание ванадия, молибдена, железа и ниобия в сплаве может составлять от 2,0 до 4,5 масс. %.

Заявленный сплав можно использовать для изготовления фольги, ленты, листов, плит, труб (включая тонкостенные и сварные), прутков, отливок, предназначенных для изготовления деталей энергетического и транспортного машиностроения, авиационной и космической техники с рабочими температурами в интервале от -196 до 450°C.

Свариваемый сплав-прототип основан на принципе твердорастворного упрочнения, вследствие чего термическая обработка сплава необходима лишь для снятия внутренних напряжений, наведенных при технологических операциях. В заявленном свариваемом сплаве реализуется как твердорастворный, так и дисперсионный механизм упрочнения. При отжиге заявленного сплава прочность основного материала и сварного соединения повышается.

Дополнительное введение ниобия, кремния, углерода и увеличенное содержание молибдена позволяют повысить прочностные характеристики заявленного сплава за счет увеличения эффекта от твердорастворного и дисперсионного упрочнения при температурах до 450°C, при заявленном содержании других компонентов.

Снижение содержания алюминия с 4,5-6,2% до 1,8-4,4% в заявленном сплаве позволяет увеличить технологическую пластичность сплава при «холодной» и «теплой» деформации за счет снижения степени твердорастворного упрочнения α-фазы алюминием.

Для компенсации потери прочности при снижении содержания алюминия и повышения максимальной рабочей температуры, в заявленный сплав добавлены элементы внедрения - кремний и углерод. Они повышают прочность α- и β-фаз (их твердых растворов) путем замещения титана в кристаллической структуре элементами внедрения - углерод, кремний, кислород и элементами замещения цирконий, железо, ванадий, алюминий, молибден и ниобий, и, как следствие, позволяют повысить прочность материала при термической обработке после деформации по механизму дисперсионного твердения.

Наличие в заявленном сплаве совокупности элементов циркония, кремния и углерода в указанном соотношении также обеспечивает измельчение зерна и субзеренных составляющих в структуре как литого, так и деформированного материала за счет интенсификации процессов рекристаллизации (вследствие снижения температуры рекристаллизации и получения более мелкой внутрезеренной структуры за счет добавки Fe).

Заявленный свариваемый сплав позволяет получить более высокие значения угла гиба и степень деформации за один переход (не приводящий к образованию дефектов в материале) при комнатной температуре (табл. 2).

Суммарное содержание элементов, стабилизирующих β-фазу (молибден, ванадий, железо, ниобий) в интервале от 2,0 до 4,5 позволяет, помимо обеспечения высокого уровня прочности во всем диапазоне рабочих температур, ограничить количество стабильной β-фазы, что в итоге обеспечивает высокие характеристики пластичности при отрицательных температурах до -196°C.

Таким образом, соотношение компонентов в заявленном свариваемом сплаве в совокупности позволяет:

- обеспечить высокие характеристики пластичности и технологичности сплава;

- снизить объем необходимой горячей деформации при первичном переделе слитков, что снижает себестоимость изготовления полуфабрикатов;

- получить более мелкозернистую структуру в сварном шве, что обеспечивает прирост прочностных и пластических характеристик (за счет низкого уровня алюминия и ограничения содержания кислорода).

Кроме того, при заявленном соотношении элементов в сплаве, требуемая степень деформации для получения нано-структурного состояния снижается, вследствие уменьшения отходов материала и затрат на деформацию (значительное сокращение стоимости полуфабриката).

Примеры осуществления.

Для получения листовых полуфабрикатов выплавляют слитки сплава по примерам 1-3 (табл. 1) методом двойного вакуумно-дугового переплава, после чего слитки подвергают горячей ковке. Полученные заготовки осаживают при температурах двухфазной области и прокатывают в «теплую» (при температурах до 700°C) и в «холодную» (комнатная температура) деформацию, после чего проводят отжиг. Из полученных листов изготавливают сварные соединения методом сварки плавлением.

В сравнительной таблице №2 приведены механические свойства листов и сварных соединений из заявленного свариваемого сплава и прототипа.

Таким образом, использование заявленного свариваемого сплава на основе титана позволяет повысить рабочую температуру применения деталей на 50°C, уровня пластичности и технологической пластичности более чем на 10% с сохранением высоких показателей прочности, и, как следствие, повысить ресурс их работы, а также снизить себестоимость изготовления изделий авиационной техники и энергетического машиностроения.