Литейный сплав на основе титана

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к металлургии свариваемых литейных сплавов на основе титана, и предназначено для изготовления фасонных отливок гребных винтов, рабочих колес водометных движителей, насосов и др., используемых в ответственных сварно-литых конструкциях судостроения, химической и других отраслей промышленности.

Известны литейные свариваемые сплавы на основе титана: марки ВТ1Л, марки ВТ6Л, недостатками этих сплавов являются в одном случае пониженная прочность, в другом недостаточная пластичность (Н.Ф. Аношкин, А.Ф. Белов, Б.И. Бондарев и др. Производство фасонных отливок из титановых сплавов. М.: ВИЛС, 1988).

Известен литейный сплав на основе титана, патент №2547371 от 11.03.2015 г., RU, который также имеет хорошие литейные свойства, но прочностные характеристики его недостаточны.

Наиболее близким по технической сущности и составу ингредиентов является сплав марки ВТ5Л, взятый в качестве прототипа, содержащий алюминий 4,1-6,2%, углерод 0,20%, кислород 0,20%, водород 0,015%, железо 0,35%, кремний 0,20%, цирконий 0, 80%, вольфрам 0,20%, в том числе прочие примеси 0,30% (Н.Ф. Аношкин, А.Ф. Белов, Б.И. Бондарев и др. Производство фасонных отливок из титановых сплавов. М.: ВИЛС, 1988).

Недостатками сплава являются: плохая жидкотекучесть при заливке форм из огнеупорных окислов, низкие показатели пластичности и ударной вязкости, склонность к образованию трещин в сварных соединениях. Причиной этих недостатков является повышенное содержание в составе сплава: углерода, водорода, железа, кислорода, кремния, вольфрама.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание литейного сплава на основе титана, обладающего повышенной жидкотекучестью при заполнении литейных форм из огнеупорных окислов, высокой пластичностью и ударной вязкостью при сохранении хороших сварочных свойств.

Технический результат достигается за счет того, что сплав на основе титана, содержащий алюминий, углерод, кислород, водород, железо, кремний, дополнительно содержит ванадий и бор при следующем соотношении компонентов, мас.%:

при выполнении следующего условия Fe+Si≤0,25%.

Выполнение условия Fe+Si≤0,25% предупреждает коагуляцию железа и кремния по границам зерен, которая ведет к охрупчиванию сплава.

При содержании в сплаве Fe+Si>0,25% снижается жидкотекучесть и показатели пластичности сплава.

Ванадий, изоморфный β-стабилизирующий элемент, в пределах 1,5-2,5% понижает температурный интервал кристаллизации, что обеспечивает хорошую жидкотекучесть. Ванадий подавляет мартенситное превращение и повышает качество сварных соединений. Ванадий при содержании менее 1,5% не влияет на интервал кристаллизации. При содержании ванадия более 2,5% увеличивается количество β-стабилизирующих элементов, которые снижают жидкотекучесть.

При содержании алюминия более 5,0% образуется пересыщенный α-твердый раствор, который при медленном охлаждении склонен к распаду с образованием α₂-фазы, имеющей стехиометрический состав типа Ti₃Al. Образование этой фазы сопровождается потерей пластичности и образованием трещин в сварных соединениях. При содержании алюминия менее 3,5% понижается жидкотекучесть.

При содержании углерода более 0,12% снижается жидкотекучесть и пластичность. Содержание углерода менее 0,02% технологически невыполнимо при проведении плавки в вакуумной дуговой гарниссажной печи.

При содержании кислорода более 0,14% происходит снижение пластичности и образование трещин в сварных соединениях. При содержании кислорода менее 0,05% снижается прочность.

При содержании водорода более 0,008% происходит снижение пластичности и образование трещин в сварных соединениях. Содержание водорода менее 0,002% невыполнимо технологически при проведении плавки в вакуумной дуговой гарниссажной печи.

При содержании железа более 0,20% увеличивается температурный интервал кристаллизации, что ведет к снижению жидкотекучести.

При содержании кремния более 0,10% образуется хрупкая фаза Ti₂Si₃, которая снижает пластичность и жидкотекучесть.

Бор в заданных пределах 0,001-0,003 введен для измельчения структуры и повышения пластичности. При содержании бора менее 0,001% эффект измельчения зерна отсутствует, при содержании бора более 0,003% он образует бориды, снижающие пластические характеристики сплава.

Пример выполнения

Составы сплавов предлагаемого и известного выплавляли в вакуумной дуговой гарниссажной плавильно-заливочной печи.

Из предлагаемого и известного сплава отливали литые заготовки типа «плита» размером 20×300×400 мм для изготовления образцов. Заливку металла выполняли в формы из магнезита. Показатели механических свойств определяли при испытаниях на разрыв по ГОСТ 1497-84 и ударных образцах по ГОСТ 4697. Для оценки качества сварного соединения изготавливали образцы для определения полной работы разрушения образца с исходной трещиной при ударном изгибе - Ату.

Химический состав предлагаемого и известного сплава приведен в таблице 1.

Жидкотекучесть определяли на технологических пробах со спиральным измерительным каналом.

Канал с сечением в виде треугольника высотой 26 мм и основанием 8 мм имеет спиралевидную форму и расположен горизонтально. Длина канала составляет 700 мм.

Жидкотекучесть определяли при одинаковой температуре заливки металла. Формы заливали стационарно.

Показателем жидкотекучести является длина залитой спиральной пробы.

Результаты определения показателей пластичности, работы разрушения металла сварного шва и определения жидкотекучести приведены в таблице 2.

По сравнению с известным сплавом предлагаемый сплав обладает следующими преимуществами.

Жидкотекучесть выше примерно на 40%, работа разрушения при ударном изгибе сварного соединения и показатели пластичности выше в 3 раза.