Сплав на основе титана

Изобретение относится к области ультразвуковых технологических систем различного назначения и может быть использовано для создания ультразвуковых электродов обладающих высоким ресурсом работы.

Область техники известна из технического решения содержащего волновод, выполненный в виде стержня цилиндрической формы из титанового сплава. (Патент RU 45325, заявка 2005100674 от 11.01.2003 г. МПК B24B 1/04). В данном техническом решении не указан состав сплава титана, из которого изготовлен волновод.

Известно техническое решение, в котором проведены исследования титанового сплава, для использования в качестве волноводов высокоамплитудных акустических систем. В данной работе исследовался промышленный сплав ПТ-3В (4,66 масс. % Al, 1,92 масс. % V) с исходной крупнозернистой структурой (200-400) мкм и ультромелкозернистой (УМЗ) структурой 0,37 мкм, полученной методом интенсивной пластической деформации - методом всестороннего прессования в интервале температур 1073-773 К. Данный сплав широко используется для изготовления акустических волноводов, ультразвуковых систем различного назначения. (Е.Н. Найденкин и др. «Титановый сплав ПТ-3В с ультрадисперсной структурой для волноводов высокоамплитудных акустических систем». Вопросы материаловедения, 2009 г. №4, стр 15-19). Выполнено сравнительное исследование структуры, механических и акустических свойств сплава ПТ-3В в крупнокристаллическом и ультрамелкозернистом состояниях. Методом всестороннего прессования в титановом сплаве ПТ-3В была сформирована однородная ультрамелкозернистая структура со средним размером элементов зеренно-субзеренной структуры 0,37 мкм. В результате существенно повысились механические свойства исследуемого материала. Так, микротвердость ультрамелкозернистого сплава увеличивается примерно на 25%, а разрушение волноводов из этого материала происходит при подводимой мощности ультразвука в 1,5-2 раза большей по сравнению с волноводом из крупнозернистого сплава. Значительно увеличивается ресурс работы при многоцикловой нагрузке таких волноводов в условиях повышенной плотности мощности ультразвуковой системы. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.

Недостаток использования сплавов на основе титана ПТ-3В в качестве волновода заключается в недостаточном ресурсе работы в условиях повышенной частоты ультразвуковых колебаний (УЗК).

Задачей заявляемого решения является повышение безопасности работы ультразвуковых волноводов, повышение качества выполняемых работ ультразвуковыми электродами обладающими повышенным ресурсом работы в области высокого ультрачастотного диапазона.

Технический результат, достигаемый в процессе решения поставленной задачи, заключается в расширение ультрачастотного диапазона работы волновода в область более высоких частот.

Технический результат достигается сплавом на основе титана содержащим алюминий, при этом дополнительно содержит молибден; цирконий; кремний; железо; кислород; углерод; водород; азот, при следующем соотношение компонентов, мас. %:

Титан остальное, имеет равномерную, мелкодисперсную микроструктуру с размером зерна (0,5-5,0) мкм, содержащую равноосную α-фазу в количестве (40-80)% в трансформированной β-матрице без наличия непрерывной сетки α-фазы на границах β зерен. Кроме этого сплав имеет предел прочности на разрыв не менее 1200 МПа при соотношении параметров σ_0,2/σ_В, не менее 0,9, где σ_0,2 - предел текучести, МПа, σ_В - предел прочности, МПа.

Традиционно упрочнение титановых сплавов достигается их легированием, термомеханической обработкой, т.е. за счет управления химическим составом и фазово-структурными превращениями. Новым эффективным способом повышения физико-механических свойств промышленных металлов и сплавов является создание в них ультрамелкозернистых (УМЗ) структур с использованием методов интенсивной пластической деформации (ИПД), которые позволяют достигать очень больших пластических деформаций при относительно низких температурах (обычно 0,3…0,4 Тпл, К) в условиях высоких приложенных давлений. (Валиев Р.З, Александров И.В. Наноструктурные материалы, подвергнутые интенсивной пластической деформации. М.: Логос, 2000. - 272 с.). Проведенные исследования (Малыгин Г.А. Физика твердого тела. 6 (49), стр. 961-982, 2007 г.) показывают, что получение ультрамелкозернистой структуры со средним размером зерна менее 1 мкм в конструкционных сплавах позволяет, с одной стороны, значительно повысить их характеристики прочности, сопротивление усталости, износостойкость, с другой стороны, практическое применение таких материалов сдерживает рядом недостатков, к которым в первую очередь следует отнести пониженную термостабильность, ударную вязкость, циклическую трещиностойкость, повышенную чувствительность к концентраторам напряжений, а также порообразование при циклических нагрузках в зоне наибольших напряжений (приповерхностной зоне).

Расширение ультрачастотного диапазона работы волновода в область более высоких частот в предлагаемом сплаве для волноводов высокоамплитудных акустических систем достигается за счет создания разнозеренной структуры, имеющей повышенную сопротивляемость разрушению при циклических нагрузках изменяющихся с высокой частотой Сплав должен иметь не только УМЗ структуру, но данная структура должна максимально противостоять разрушению при воздействии на материал высокочастотных ультразвуковых колебаний.

При разработке структуры сплава авторами были использованы основные положения механики разрушения твердых тел. Рассматривался механизм разрушения применительно к титановому сплаву имеющего различную структуру подвергаемого циклическим напряжениям сжатия и растяжения с высокой частотой. Прежде всего, необходимо отметить, что ультразвуковые колебания в волноводе создают зоны сжатия и растяжения, величина данных зон напряжений в материале зависит от параметров УЗК, частоты и амплитуды. Процесс разрушения волновода из титанового сплава в результате действия ультразвуковых колебаний многостадиен. Он начинается в дефектных местах кристаллической решетки, где имеются нарушения ее периодичности, и проходит последовательно следующие стадии: скопление дефектов, приводящее к локальной концентрации напряжений; образование зародышевых микротрещин, т.е. разрывов сплошностей кристаллической решетки в отдельных участках; развитие и объединение зародышевых микротрещин вплоть до образования магистральных трещин разрушения; разрушение волновода на несколько частей. Свойства структуры сплава должны быть такими, что бы максимально сопротивляться разрушения на каждой из указанных стадий.

В прототипе исследовался сплав с исходной зернистость 200-400 мкм и сплав с ультромелкозернистой структурой, полученной методом интенсивной пластической деформации - методом всестороннего прессования в интервале температур 1073-773 К, зернистостью 0,37 мкм.

Очевидно, что на стадии скопления дефектов, сплав с высокой зернистостью 200-400 мкм, имеющий больший размер кристаллитов, и больший размер границ между отдельными кристаллами будет противостоять УЗК лучше, чем сплав с УМЗ структурой имеющий значительно больше дефектов в структуре. Но стадия образования зародышевых микротрещин, т.е. разрывов сплошностей кристаллической решетки в отдельных участках, в сплаве с УМЗ структурой от действия ультразвуковых колебаний будет проходить значительной дольше, чем в сплавах имеющих большой размер зерна. Практически данная стадия и определяет работоспособность волновода. Это обусловлено способностью УМЗ структуры противостоять напряжениям, возникающим в материале при УЗК, микрообъемы которого периодически сжимаются и растягиваются. Чтобы получить разрыв сплошностей в крупнозернистом сплаве, размером 400 мкм, достаточно транскристаллитного разрушения одного крупного зерна, или интеркристаллитного разрушения границ двух зерен, тогда как в сплаве с УМЗ структурой для этого микроразрыву потребуется пройти 1000 зерен и межзеренных границ. Следовательно, и энергии на получение такого разрыва сплошностей потребуется в 1000 раз больше. Размеры разрывов сплошностей в крупнозернистом сплаве будут на два-три порядка больше, чем в сплаве с УМЗ структурой, а, следовательно, их подрастание до микротрещин и выход на поверхность будет происходить быстрее.

Иной характер разрушения титанового сплава происходит в сплаве имеющем равномерную, мелкодисперсную микроструктуру с размером зерна (0,5-5,0) мкм, содержащую равноосную α-фазу в количестве (40-80)% в трансформированной β-матрице без наличия непрерывной сетки α-фазы на границах β зерен.

На стадии скопления дефектов, в которой происходит увеличение локальной концентрации напряжений, сплав с разнозеренной структурой имеющий в структуре субмелкие и мелкие зерна будет противостоять значительно дольше, чем сплав, имеющий УМЗ структуру. Это объясняется тем, что структура сплава имеет меньшую дефектность. На второй стадии разрушения, зародившиеся микроразрывы на субмелких зернах, при своем подрастании будут тормозится на мелких зернах, в то время как на сплавах с УМЗ период торможения будет значительно меньше, так как зародившийся микроразрыв соизмерим с размером соседнего зерна. Наличие в структуре зерен с различным размером из различных фаз, имеющих различные параметры кристаллических решеток, будут создавать в сплаве границы зерен с различной степенью напряженности, что создаст дополнительное препятствие при развитии микротрещин. Таким образом, разнозернистая структура сплава имеет большую способность сопротивляться разрушению на каждой указанной ранее стадии механизма разрушения.

Сплав имеет повышенную ударную вязкость и циклическую трещиностойкость, пониженную чувствительность к концентраторам напряжений, а также пониженное порообразование при циклических нагрузках в зоне наибольших напряжений. Такие свойства достигаются увеличением процентного содержания алюминия, а также замена ванадия молибденом, получением оптимального сочетания α и β стабилизирующих элементов в сплаве. Это позволяет увеличить прочность материала на 20% по сравнению с промышленным сплавом ПТ-3В, а также улучшить усталостные свойства. Увеличение прочности и улучшение усталостных свойств приводит к тому, что волновод может работать большее время и при более высоких нагрузках. С целью увеличения и стабилизации альфа-фазы, в сплав было добавлено относительно высокое количество алюминия, и 2,1-3% циркония. За счет добавления циркония происходит стабилизация альфа-фазы, что в свою очередь увеличивает прочность сплава и его сопротивление ползучести, что в конечном итоге приводит к увеличению срока службы волновода. Дополнительно цирконий улучшает коррозионную стойкость материала. Оптимальное содержание альфа- и бета-фазы также дает лучший контроль микроструктуры в процессе термомеханической обработки сплава, что позволяет получать сплавы для изготовления волноводов работающих на высоких частотах. Наличие однородной микроструктуры необходимо для получения равномерных акустических свойств по всему объему материала, что является одним из важнейших условий для производства волноводов.

Сравнительные испытания

Был подготовлен образец ступенчатого волновода из заявляемого сплава с выходным диаметром 8 мм (по аналогии с прототипом). Параметры состава титанового сплава представлены в таблице 1.

Были проведены испытания по определению предельного времени работы волновода до разрушения при тех же параметрах, что и в прототипе: частота 21 кГц, мощность 600 Вт. Колебания в образце возбуждались с помощью ультрозвуковых преобразователей. Образец из предлагаемого сплава не разрушился в течении 4 часов испытаний. Прототип при тех же условиях проработал всего лишь 1320 секунд (Е.Н. Найденкин и др. «Титановый сплав ПТ-3В с ультрадисперсной структурой для волноводов высокоамплитудных акустических систем». Вопросы материаловедения, 2009 г. №4, стр 15-19). Данные испытания показывают, что предлагаемый сплав имеет значительно больший ресурс работы по сравнению с прототипом.

Дале было подготовлено 5 заготовок с составом представленным в таблице 2.

В последствии каждая заготовка подвергалась ковке включающем этапы ковки при температуре выше температуры полного полиморфного превращения, и при температуре ниже полиморфного превращения, охлаждение заготовки после этапа ковки, при этом на первом этапе нагревают заготовку из титанового сплава до температуры выше температуры полного полиморфного превращения T₁=T_β+(40÷130)°C, где T_β - температура фазового альфа-бета перехода, проводят ковку с деформацией при вращении заготовки вокруг своей оси последовательно по схеме 90°-45°-22°, проводят закалку заготовки в воду, на втором этапе нагревают заготовку из титанового сплава до температуры ниже полиморфного превращения T₂=T_β-(0÷60)°C, проводят ковку с деформацией при вращении заготовки вокруг своей оси последовательно по схеме 90°-45°-22°, проводят быстрое охлаждение заготовки в воду, на третьем этапе нагревают заготовку из титанового сплава до температуры T₁=T_β+(40÷130)°C, проводят ковку с деформацией при вращении заготовки вокруг своей оси последовательно по схеме 90°-45°-22°, проводят закалку заготовки в воду, после третьего этапа ковки проводят разделение заготовки на две равные части по длине, на четвертом этапе проводят нагрев заготовки до температуры T₂=T_β-(0÷60)°C, проводят ковку с деформацией, при повороте заготовки вокруг своей оси каждый раз на 90° и чередуя усилия ковки при каждом повороте, большие усилия на большей площади, меньшие усилия на меньшей площади, формируя из круглой заготовки прямоугольную заготовку, на пятом, на шестом, на седьмом, восьмом и девятом этапах нагревают заготовки до температуры T₂=T_β-(0÷60)°C, проводят ковку с деформацией при повороте заготовки вокруг своей оси каждый раз на 90° и чередуя усилия ковки при каждом повороте, большие усилия на большей площади, меньшие усилия на меньшей площади, полученный прямоугольный пруток подвергают отжигу при температуре 850°C в течение часа. Все заготовки обрабатывались по единому процессу. Были определены физико-механические свойства. Результаты представлены в таблице 3.

Были изготовлены волноводы и проводились испытания в производственных условиях на ультрозвуковом сварочном аппарате USP750. Использовались следующие режимы: сила прижатия 750 Н, частота 35 kHz, мощность 1 кВт. Таким образом был определен оптимальный состав титанового сплава для волноводов. Результаты испытаний представлены в таблице 4.

Сваривали пластмассу, материал отлично сваривается. После 9 месяцев работы сварочного оборудования, провели ультрозвуковой контроль волновода по стандарту AMS 2631 класс AA. Дефекты не обнаружены, что подтверждает высокий ресурс работы волновода. Предлагаемый титановый сплав химического состава при сохранении мелкодисперсной микроструктуры позволяет значительно увеличить ресурс работы волновода.