Результат интеллектуальной деятельности: СПЛАВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к металлургии сплавов на основе титана для крупногабаритных сварных конструкций с сечением более 300 мм, обладающих повышенной коррозионно-механической прочностью и эксплуатационной безопасностью для морской техники.

Известен сплав на основе титана для морской техники:

- сплав, содержащий, мас.%: алюминий 6,0-7,0; ниобий 2,0; тантал 1,0; молибден 0,8, содержание примесей минимально [1]. Сплав применяется для изготовления малогабаритных сварных конструкций морской техники.

Недостатком этого сплава является ограничение габаритов изготовляемых конструкций и высокая стоимость из-за содержания дорогостоящих легирующих элементов ниобия и тантала.

Также известны сплавы, близкие по составу ингредиентов: патенты РФ 2082803, С22С 14/00 от 27.06.97г. и 2086694, С22С 14/00 от 27.02.98 г.

Недостатками этих сплавов являются ограничение толщины свариваемых сечений (не более 20 мм) и коррозионное разрушение сварных соединений из-за повышенного содержания кислорода, азота, водорода

Предложен [2] в качестве прототипа состав сплава на основе титана (DE 102006031469 A1, B23K 20/04, С22С 14/00, 10.01.2008) [3], содержащий, мас.%: алюминий 2,3-7,8, ванадий ≤6,9, молибден ≤5,8, углерод ≤0,09, водород ≤0,2, железо ≤3,5, кремний ≤0,8, кислород ≤0,3. Сплав по характеристике назначения относится к листовым полуфабрикатам из титанового сплава, плакированного алюминиевым сплавом для автомобильных двигателей внутреннего сгорания с рабочей температурой более 600°С.

Из альтернативных вариантов составов сплава в качестве прототипа выбран сплав, количественный и качественный состав которого соответствует составу заявляемого сплава.

Недостатком этого сплава является ограничение толщины свариваемых сечений 1,0-8,0 мм. Сплав-прототип обладает низкой коррозионно-механической прочностью сварных соединений, оцениваемой малоцикловой долговечностью и коэффициентом интенсивности напряжений K_QSCC (вязкостью разрушения) сварных соединений в морской воде по сравнению с основным металлом из-за повышенного содержания железа и водорода.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание сплава для крупногабаритных сварных конструкций с сечением более 300 мм, обладающего повышенной коррозионно-механической прочностью, чем известный сплав.

Технический результат достигается за счет того, что сплав, содержащий алюминий, ванадий, азот, углерод, водород, железо, кислород, кремний и титан, отличается тем, что он содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:

Указанное в заявляемом сплаве содержание компонентов обеспечивает оптимальное сочетание прочности и ударной вязкости сварных соединений.

Кремний в указанных пределах препятствует выделению α-фазы по границам зерен, снижающей коррозионно-механическую прочность. При содержании кремния более 0,08% в структуре сплава образуются интерметаллиды типа Тi₂ SI₃, которые снижают пластичность сварного шва, вызывая их разрушение

Углерод при содержании ≤0,12% находится в твердом растворе, а при содержании >0,12% он находится по границам зерен в виде округлых включений, которые снижают пластичность сплава и малоцикловую усталость сварных соединений в морской воде на 30 процентов.

Снижение содержания алюминия до 5,0% и ванадия до 2,5% по сравнению с известным сплавом предотвращает склонность сварных соединений титановых сплавов к коррозионному растрескиванию в морской воде и уменьшает степень внутрикристаллической ликвации при кристаллизации металла сварного шва, что обеспечивает получение равномерно однородной структуры металла сварного соединения с высокой пластичностью.

При содержании алюминия более 5% возможно образование обогащенных микросегрегатов, вызывающих неоднородность структуры и приводящих к снижению пластичности и коррозинно-механической прочности сварных соединений. При содержании алюминия менее 3,5% не обеспечиваются требования по прочности сплава.

При содержании ванадия более 2,5% наблюдается снижение ударной вязкости и пластических характеристик сварного соединения.

Содержание водорода в предлагаемом сплаве ограничено 0,008% по сравнению с известным сплавом для предотвращения развития водородной хрупкости разрушения сварных соединений.

Коррозионно-механическую прочность характеризует также малоцикловая долговечность образцов с острым надрезом в морской воде. Эксплуатационную безопасность сварных соединений крупногабаритных конструкций в морской воде характеризует отношение коэффициента интенсивности напряжений K_QSCC (вязкости разрушения) к пределу прочности при растяжении. Чем это отношение больше, тем безопаснее эксплуатация [4].

Образцы из предлагаемого и известного сплава были изготовлены из поковок с сечением 300 мм. Поковки сваривали ручным аргонодуговым методом по щелевому зазору.

Для определения коэффициента интенсивности напряжений K_QSCC изготавливали образцы размером 64×90×400 мм. Надрез выполняли по основному металлу и сварному шву. Испытания проводили по схеме трехточечного изгиба в среде, имитирующей морскую воду с составом 3,5% NaCl.

Коррозионно-механическую прочность оценивали также по результатам испытаний образцов на малоцикловую усталость. Испытания проводили на образцах с острым надрезом (r=0,1 мм) при растяжении в растворе, имитирующем морскую воду с составом 3,5% NaCl при напряжении, равном 0,8 σ_в.

Состав предлагаемого и известного сплавов и результаты испытаний для определения коэффициента интенсивности напряжений K_QSCC и малоцикловой долговечности приведены в таблицах 1 и 2.

Как видно из таблицы 2, результаты испытаний подтверждают, что предлагаемый состав сплава на основе титана превосходит известный по показателям, характеризующим коррозионно-механическую прочность: коэффициенту интенсивности напряжений и малоцикловой долговечности в морской воде.

Малоцикловая долговечность предлагаемого сплава в три раза выше малоцикловой долговечности известного сплава. Коэффициент безопасной эксплуатации K1_css/σ_в√м сварных соединений предлагаемого сплава почти в 4 раза выше известного.

Ожидаемый экономический эффект выразится в повышении безопасной эксплуатации крупногабаритных сварных конструкций морской техники примерно в 3 раза. Применение предлагаемого сплава в крупногабаритных сварных конструкциях снизит расход энергопотребления более 30% за счет исключения термической обработки и повышения эксплуатационной безопасности морской техники, а это приведет к сокращению количества ремонтов сварных конструкций и аварий на море.

Литература

1. Б.А.Колачев, И.С.Полькин, В.Д.Талалаев. Титановые сплавы разных стран. М.: ВИЛС, 2000 г., стр.266.

2. Роспатент, Форма №10 И.З., ПО-2010. 100 Запрос по з. №200913608/02.

3. Патент ФРГ №ОЕ 102006031469 Al, B23K 20/04, С22С 14/00, 10.01.2008. «Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einem Titan-Flachprodukt fur Hochtemperaturan-wendungen».

4. (Х.Бевело. Влияние структуры на усталостное разрушение деталей из титановых сплавов. 3-я Международная конференция по титану. МГУ, г.Москва.)