Результат интеллектуальной деятельности: СПЛАВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА

Изобретение относится к области металлургии, а именно к созданию современных титановых сплавов, используемых для изготовления высокопрочных и высокотехнологичных изделий, в том числе крупногабаритных, т.е. сплавов, обладающих высокой степенью универсальности.

Титановые сплавы широко применяются в качестве материалов аэрокосмического назначения, например, для самолетов и ракет, т.к. сплавы обладают прочными механическими свойствами и являются сравнительно легковесными.

Известен наиболее широко используемый титановый сплав Ti6A14V (Калачев Б.А., Полькин И.С. и Талалаев В.Д. Титановые сплавы разных стран. Справочник. М.: ВИЛС, 2000, с.58-59) - [1]. Сплав разработан в США в 50-х годах. Сплав средней прочности от 850 до 1000 МПа и высокой технологичности. Хорошо обрабатывается давлением: ковкой, штамповкой, прессованием. Нашел широкое применение в авиационной и аэрокосмической технике, судостроении, автомобилестроении и др., а также при изготовлении деталей крепежа различного назначения. Сплав хорошо обрабатывается всеми видами сварки, в том числе диффузионной.

Недостатком сплава Ti6A14V является его недостаточная универсальность. Из него сложно изготовить тонколистовой прокат, фольгу и трубы, так как сплав обладает относительно высоким сопротивлением деформации, что при температуре деформации ниже 800°С ведет к образованию таких дефектов, как трещины, а также сокращает срок службы рабочего инструмента или требует использования дорогостоящей инструментальной оснастки.

Известен псевдо-α-титановый сплав Grade 9 (Ti-3Al-2,5V), как сплав, обладающий высокой способностью к холодной деформации (см. [1], с.44, 45). Обладает промежуточной прочностью сплава Ti-6Al-4V и титана (600-800 МПа). Применяется в нагартованном состоянии и после отжига для снятия напряжений; обладает высокой коррозионной стойкостью во многих средах, включая морскую воду. Используется для изготовления труб гидравлической и топливной систем самолетов, ракет, подводных лодок.

Недостатком известного сплава является также его низкая универсальность, связанная с тем, что при изготовлении крупногабаритных конструкционных изделий обязательным является снятие внутренних напряжений. С этой целью изделия проходят отжиг, при этом прочностные характеристики сплава Grade 9 снижаются до 400-500 МПа.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является α+β-титановый слав, включающий 3,0-5,0 Al; 2,1-3,7 V; 0,85-3,15 Мо; 0,85-3,15 Fe; 0,06-0,2 O₂ и неизбежные примеси (заявка Японии №3007214 В2, публ. 07.02.2000) - прототип.

Недостатком названного сплава является высокое содержание железа и молибдена, которые склонны к ликвации. С целью снижения вероятности возникновения ликвационной неоднородности необходимо использовать специальную технологию выплавки слитков, а также проводить прокатку и ковку с малыми степенями деформации с целью исключения декорации «бета-флеков», что снижает производительность.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является создание универсального титанового сплава с наименьшими затратами на его изготовление и возможностью изготавливать из него широкую номенклатуру изделий из титановых сплавов, таких как крупногабаритные поковки и штамповки, а также тонколистовой прокат и фольгу с необходимыми прочностными и пластическими характеристиками и структурой.

Технический результат, достигаемый при осуществлении заявляемого изобретения, заключается в регламентации оптимального сочетания α- и β-стабилизирующих легирующих компонентов в готовом полуфабрикате.

Технический результат достигается тем, что в сплаве на основе титана, состоящем из алюминия, ванадия, молибдена, железа и кислорода, согласно изобретению компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%:

Сочетание высокой прочности и технологической пластичности предлагаемого сплава достигается в результате целенаправленного выбора и экспериментальной оценки диапазонов легирования. Содержание α-стабилизирующих элементов (алюминия, кислорода) и β-стабилизирующих элементов (ванадия, молибдена и железа) выбрано необходимым и достаточным для достижения поставленной цели.

Алюминий является стабилизатором α-фазы для α+β-титановых сплавов, который обеспечивает повышение механической прочности. Однако, когда содержание алюминия в заявляемом сплаве составляет менее 3,5%, необходимая прочность не может быть достигнута. Если же содержание алюминия превышает 4,4%, сопротивление горячей деформации увеличивается и деформируемость при более низких температурах ухудшается, что приводит к снижению производительности.

Ванадий добавляют в титан в качестве стабилизатора β-фазы для α+β-титановых сплавов, который обеспечивает повышение механической прочности, не образуя хрупкие интерметаллиды с титаном. Наличие ванадия в сплаве по мере стабилизации β-фазы затрудняет образование α₂ - сверхструктуры в α-фазе и способствует повышению не только прочностных свойств, но и пластичности. При содержании ванадия менее 2% достаточная прочность, которая должна быть получена, исходя из изобретения, не может быть достигнута. Если содержание ванадия превышает 4,0%, сверхпластическое удлинение уменьшается за счет чрезмерного снижения температуры полиморфного превращения. Содержание ванадия в пределах 2,0-4,0% в данном сплаве имеет преимущество в связи с тем, что для его получения могут быть использованы отходы сплава Ti6Al4V, широко применяемого на нашем предприятии.

Молибден добавляют в титан в качестве стабилизатора β-фазы для α+β-титановых сплавов. Введение молибдена в пределах 0,1-0,8% обеспечивает полную растворимость его в α-фазе, что позволяет получать необходимые прочностные характеристики без снижения пластических свойств. Если содержание молибдена превышает 0,8%, увеличивается удельный вес сплава вследствие того, что молибден является тяжелым металлом, и пластические свойства сплава снижаются. Содержание молибдена менее 0,1% не обеспечивает свойства сплава в полном объеме.

Введение железа в сплав до 0,4% увеличивает объемную долю β-фазы, снижая сопротивление деформации при горячей обработке сплава, что помогает избежать образование таких дефектов, как трещины. Содержание железа более 0,4% приводит к ликвационным процессам с образованием «бета-флеков» при плавлении и кристаллизации сплава, что приводит к неоднородности механических свойств, в частности пластичности.

Кислород обеспечивает повышение механической прочности при образовании твердого раствора, в основном, в α-фазе. Содержание кислорода более 0,25% может привести к снижению пластических свойств сплава.

В качестве неизбежных примесей в сплаве может присутствовать до 0,1% углерода и до 0,05% азота, при этом общее количество примесей не должно превышать 0,16%.

Для исследования свойств заявляемого сплава были выплавлены методом двойного вакуумного дугового переплава слитки следующего химического состава (таблица 1).

Из каждого слитка методом горячей деформации были изготовлены прутки диаметром 50 мм. Часть прутков была подвергнута термической обработке путем отжига при температуре 750°С, выдержке 1 час и охлаждении на воздухе. Были исследованы при комнатной температуре механические свойства прутков, прошедших термическую обработку, и прутков без термообработки. Результаты исследований приведены в таблице 2. Кроме того, дополнительно были исследованы механические свойства β-осаженных заготовок, подвергнутых термической обработке при температуре 710°С, выдержке 3 часа и охлаждению на воздухе. Результаты испытаний механических свойств заготовок, полученных осадкой в α+β и β-области, приведены в таблице 2.

Предлагаемый сплав по сравнению с известными обладает высокой универсальностью, экономически выгоден, имеет более низкую себестоимость в связи с тем, что для его производства используются отходы широко известных сплавов, например сплав Ti6Al4V. Данный сплав обладает необходимым и достаточным уровнем механических свойств и может быть использован путем деформации как в α+β-области, так и в β-области для изготовления широкой номенклатуры изделий, включая крупногабаритные штамповки и поковки, а также тонкие листы и фольгу.