Результат интеллектуальной деятельности: Литейный сплав на основе титана

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к металлургии свариваемых, жаропрочных литейных сплавов на основе титана, и предназначено для изготовления фасонных отливок, используемых в ответственных сварно-литых конструкциях энергомашиностроения при температуре до 450°С.

Известны литейные жаропрочные (α+β) сплавы на основе титана марок ВТ8Л и ВТ9Л (Н.Ф. Аношкин, А.Ф. Белов, Б.И. Бондарев и др. Производство фасонных отливок из титановых сплавов, М., ВИЛС, 1988).

Сплавы этой группы имеют достаточно высокий предел прочности. Недостатком этих сплавов являются низкие показатели пластичности, ударной вязкости и склонность к растрескиванию сварных соединений из-за повышенного содержания молибдена, кислорода, железа, кремния.

Известен жаропрочный литейный псевдо α-сплав марки IMI 834, содержащий 5,8% Al, 4% Sn, 3,5% Zr, 0,7% Nb, 0,5% Mo, 0,33% Si. Недостатком этого сплава является склонность к растрескиванию сварных соединений из-за повышенного содержания кремния (А.А. Ильин, Б.А. Колачев, И.С. Полькин. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства. ВИЛС-МАТИ, М., 2009).

Наиболее близким по технической сущности и составу ингредиентов является литейный сплав марки ВТ20Л, взятый в качестве прототипа, содержащий алюминий 5,5-6,8%, молибден 0,5-2,0%, ванадий 0,8-1,8%, цирконий 1,5-2,5% и примеси (не более): углерод 0,15%, кислород 0,15%, водород 0,015%), железо 0,30%, кремний 0,15%, (Н.Ф. Аношкин, А.Ф. Белов, Б.И. Бондарев и др. Производство фасонных отливок из титановых сплавов, М., ВИЛС. 1988). Сплав обладает достаточно хорошим комплексом механических свойств, но ограниченно используется в сварных соединениях из-за склонности к образованию в них трещин из-за повышенного содержания алюминия, углерода, водорода, железа, кислорода. Недостатками сплава при температуре 450°С являются более низкие значения ползучести по сравнению с требованиями для ответственных литосварных конструкций энергомашиностроения, склонность к образованию трещин в сварных соединениях

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание литейного свариваемого сплава на основе титана, обладающего более высоким пределом ползучести при температуре 450°С и хорошим качеством сварных соединений, чем известный сплав.

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

при выполнении следующих соотношений: Fe+Si≤0,20%.

Выполнение условия Fe+Si≤0,20% рассматривается как комплексное легирование сплава, способствующее получению однородного структурного состояния, что приводит к повышению длительной прочности и сопротивления ползучести.

Содержание Fe+Si≥0,20% ведет к образованию сегрегации железа и кремния по границам зерен, что вызывает охрупчивание сплава, снижение пластических свойств и образованию трещин в сварных соединениях.

Алюминий в указанных пределах повышает прочность и жаропрочность, при содержании алюминия выше 6,0% происходит снижение пластичности основного металла и сварных соединений, предела ползучести за счет протекания процессов упорядочения в α-фазе. При содержании менее 5,0% снижается прочность и жаропрочность.

Молибден в указанных пределах повышает предел длительной прочности и ползучести. При содержании молибдена более 2,0% возможно образование трещин в сварных соединениях за счет образования малопластичной α'-фазы в зоне термического влияния и снижение предела ползучести. При содержании молибдена ниже 1,0% происходит снижение прочности и длительной прочности при температуре 450°С.

Ванадий при содержании 1,0-2,0% повышает статическую и длительную прочность за счет твердорастворного упрочнения. Ванадий за счет воздействия на параметры решетки α-титана уменьшает соотношение осей кристаллической решетки, что ведет к повышению способности α-фазы к пластической деформации и повышению качества сварных соединений. Ванадий при содержании менее 1,0% не обеспечивает повышение прочности. При содержании ванадия более 2,0% увеличивается количество β-фазы, что ведет к снижению сопротивления ползучести при 450°С.

При содержании углерода более 0,14% образуется карбид титана TiC, снижается пластичность и предел ползучести. Содержание углерода менее 0,05% снижает жаропрочность.

Содержание кислорода более 0,12% ведет к снижению пластичности и предела ползучести, образованию трещин в сварных соединениях. Содержание кислорода менее 0,05% ведет к снижению прочности.

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.

Содержание железа более 0,15% ведет к снижению пластичности сплава и качества сварных соединений. Содержание железа менее 0,02% технологически невыполнимо из-за содержания железа в титановой губке.

При содержании кремния более 0,08% образуется хрупкая фаза Ti₂Si₃, которая снижает пластичность и качество сварных соединений.

В заявляемом изобретении легирующие и примесные элементы (кислород, кремний, железо) находятся в таком соотношении, чтобы обеспечить повышенное сопротивление ползучести при температуре 450°С.

Пример выполнения

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

Из предлагаемого и известного сплавов 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 9454-78. Оценку качества сварного соединения проводили при определении работы разрушения образцов с исходной трещиной при ударном изгибе а_ту. За критерий оценки свариваемости принято равенство свойств сварного соединения по сравнению с основным материалом.

Испытания на длительную прочность в соответствии с ГОСТ 10145-81 проводили на образцах с диаметром рабочей части 5 мм, продолжительность испытания 100 часов, температура испытаний +450°С.

Испытания на ползучесть проводили в соответствии с ГОСТ 3248-81 на цилиндрических образцах диаметром 5 мм. За предел ползучести принимали напряжение, при котором остаточная деформации за промежуток 100 часов не превысила величины 0,2%.

Химический состав предлагаемого и известного сплавов приведен в таблице 1. Результаты испытаний приведены в таблице 2.