Сплав на основі титану

Сплав на основі титану, що містить молібден, алюміній, залізо, який відрізняється тим, що він додатково містить цирконій і ванадій при такому співвідношенні компонентів, мас.%: молібден 5,5-5,7 алюміній 0,1-0,5 залізо 0,8-0,9 цирконій 3,0-3,5 ванадій 0,2-0,35 титан решта. (11) (21) a200501525 (22) 18.02.2005 (24) 10.01.2008 (72) ШАПОВАЛОВ ОЛЕКСІЙ ВІКТОРОВИЧ, UA, ШАПОВАЛОВА ОКС АНА МИХАЙЛІВН А, UA, ІВЧЕНКО ТАМАРА ІВАНІВН А, UA (73) ДНІПРОПЕТРОВСЬКИЙ НАЦІОН АЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ, UA (56) UA 40087 A, 16.07.2001 US 4197643 A, 15.04.1980 RU 2211873 C2, 10.09.2003 JP 62192550 A, 24.08.1987 JP 2138429 A, 28.05.1990 Молібден Алюміній Залізо Титан 6...21 0,1...1,0 0,3...0,7 Решта Ме ханічні властивості Відносне Твердість по Межа міцності, Ударна в'язвидовження, кість, KCU, Бринеллю, НВ, s в МПа МПа МДж/м 2 d ,% 345...373 1140...1350 3 0,1 Відомий сплав має високу корозійну стійкість: у 20% розчині НС1 після 1000год випробувань його швидкість корозії К складала 0,0259г/м 2.год, у 20% H2SО4 К=0,008г/м 2.год, у 40% H2SО4 К=0,0025г/м 2.год. Висока корозійна стійкість дозво лила застосовувати його у фасонному титановому литві. Проте відомий сплав має такі недоліки: - дуже високий вміст молібдену, який імпортується в Україну через відсутність рудних запасів і переробних виробництв, а також через підвищен (19) Хімічний склад,% по масі UA Таблиця 1 3 81428 ня питомої маси і значного зміцнення сплаву (як a -, так і b -фаз); недостатня кількість сильнішого bстабілізатора, заліза, який дозволяє збільшувати і міцність, і пластичність титану; - відсутність у складі сплаву нейтрального щодо a - і b -фаз легуючого елемента, такого, як цирконій, який підвищує пластичність і ударну в’язкість. У основу винаходу поставлено задачу, яка розв'язується технічним рішенням, що заявляється, котра полягає в зменшенні вмісту в сплаві дорогого імпортованого легуючого елемента молібдену, збільшенні вмісту відносно дешевого і недефіцитного елемента заліза (його вартість у 170 разів нижча за вартість молібдену) і додатковому введенні цирконію і ванадію, що дозволяє значно поліпшити механічні властивості сплаву при зберіганні його високої корозійної стійкості. Поставлена задача вирішується тим, що титановий сплав, який містить молібден, алюміній, залізо, додатково містить цирконій і ванадій при такому співвідношенні компонентів (% по масі): молібден 5,5...5,7 алюміній 0,1...0,5 залізо 0,8...0,9 цирконій 3,0...3.5 ванадій 0,2...0,35 титан решта. Введення в сплав системи Ti-Mo-Al-Fe додаткової кількості найбільш сильного b -стабілізатора заліза до 0,8...0,9% збільшує кількість b -фази в 1,5 рази і тим самим забезпечує сплаву підвищення пластичності в 5 разів [5]. У той же час легування титанового сплаву такою кількістю заліза підвищує одночасно міцність ( s в ), не знижуючи ударну в'язкість (KCU), яка залишається достатньо високою. Як показано в табл. 1, відомий титановий сплав має невисокі відносне видовження (d =3%) і ударну Б ОЯЗКІСТЬ (KCU=0,1МДж/м 2). Зменшення вмісту молібдену з 6-21 до 5,5...5,7% сприяє відповідному збільшенню питомої міцності в 1,2 рази, зниженню загальної маси виробів на 15%, зменшенню собівартості продукції на 15% і потреби в імпортованому металі (Мо). Обидва компоненти, b -стабілізатори Мо і Fe, у кількостях, що заявляються, помітно знижують температуру поліморфного перетворення титану і збільшують кількість пластичної b -фази, завдяки чому титановий сплав можна деформувати на відміну від відомого сплаву, який використовують тільки для висококорозійностійкого титанового 4 литва-Введення в сплав 3,0...3,5% цирконію, який є нейтральним елементом, сприяє підвищенню пластичності і схильності титанового сплаву до деформування, одночасно з невеликим підвищенням міцності, а також корозійної стійкості. Цирконій - це ізоморфний елемент відносно титану; кожний 1% Zr збільшує межу міцності s в на 20МПа. Ванадій істотно зміщує електрохімічний потенціал титану в позитивну сторону, тому він, розташовуючись у b -прошарках і частково в a -фазі сплаву разом із молібденом, залізом, цирконієм, забезпечує дуже високу корозійну стійкість сплаву, що заявляється. Кожний 1% V підвищує межу міцності титану на 35МПа при зберіганні його високої пластичності. Таким чином, ванадій, молібден і цирконій, маючи відповідно розчинність у a -фазі (2,5%, 0,5% і необмежену), переміщують електрохімічний потенціал у позитивну сторону -В той же час як b стабілізаторн, вони мають значну розчинність у b фазі, тому розміщуються переважно в ній. Різниця електрохімічних потенціалів між a - і b -фазами при цьому істотно знижується, а стійкість проти корозії різко зростає. Таким чином, сплав, що заявляється, має не тільки високий рівень міцності і пластичності, але і високу стійкість проти корозії в середовищах з підвищеною агресивністю, Приклад. У вакуум-дуго вій печі ВДЛП виплавляли бінарні і багатокомпонентні титанові сплави, у яких варіювали вміст алюмінію від 0,05 до 1,1%, заліза від 0,6 до 1,4%, молібдену - від 5,0 до 6,1%, цирконію - від 2,0 до 5,0%, ванадію - від 0,1 до 0,7%. Зливки перековували на прутки діаметром 0,02м і відпалювали при температурі 700°С протягом 0,5год для зняття напруги. Як видно з табл. 2, залізо зміцнювало титан у бінарних сплавах, причому помітне підвищення міцності встановлено при його концентрації вище 1% з відповідним зниженням пластичності і корозійної стійкості. В той же час при вмісті заліза 0,9% пластичність залишалася високою (d » 27%) при s в =480МПа, KCU=1,98МДж/м 2 і швидкість корозії К=0,29г/м 2.год. (0,53мм/рік). При подальшому підвищенні вмісту заліза сплав зміцнювався, але ставав менш стійким проти корозії в 10% розчині НСl (К=0,60 мм/рік). Тому верхньою припустимою межею вмісту заліза в сплаві, що заявляється, варто вважати 0,9%. Нижня межа вмісту заліза вибрана рівною 0,8% в розуміння задовільного співвідношення межі міцності ( s в =470МПа) із пластичністю ( d » 30%) та корозійною стійкістю (К=0,50мм/рік). 5 81428 6 Таблиця 2 Сплав 1 Ti-0,7Fe 2 Ti-0,8Fe 3 Ti-0,9Fe 4 Ti-1,0Fe 5 Ti-1,1Fe 6 Ti-1,4Fe 7 Ті-0,05Аl 8 Ті-0,1Аl 9 Тi-0,3Аl 10 Ті-0,5Аl 11 Ті-0,6Аl 12 Ті-0,9Аl 13 Ti-1,0Al 14 Ті-1,1Аl 15 Ті-5,0Мо 16 Ті-5,5Мо 17 Ті-5,7Мо 18 Ті-5,9Мо 19 Ті-6,1Мо 20 Ti-2,0Zr 21 Ti-3,0Zr 22 Ti-3,5Zr 23 Ti-4,0Zr 24 Ti-5,0Zr 25 Ti-0,1V 26 Ti-0,2V 27 Ti-0,5V 28 Ti-0,7V Ме ханічні властивості Швидкість корозії в10% НСl sв , НВ, KCU, d, г/м 2.год. мм/рік МПа МДж/м 2 % МПа 460 1390 31,2 2,15 0,23 0,46 470 1410 30,4 2,00 0.26 0,50 480 1440 27,5 1,98 0.29 0,53 490 1480 23,7 1,80 0.36 0,60 498 1496 19,5 1,64 0,38 0,75 520 1560 17,0 0,95 0.40 0.79 423 1260 32.5 3,00 0.03 0,06 425 1290 32,2 2,89 0.03 0,06 435 1303 32.8 2.80 0.05 0,10 458 1314 31,0 2,75 0,08 0,16 470 1400 30,8 2.42 0.15 0.30 490 1440 30,4 1,98 0,20 0,40 496 1459 30.3 1,75 0…20 0,40 520 1500 29,8 1,53 0,20 0,40 670 1998 14,3 0,62 0.0045 0,009 695 2080 13,0 0,57 0,001 0,002 705 2112 12,0 0,53 0,0005 0,001 715 2140 11,8 0,49 0,0005 0,001 725 2170 11.6 0,47 0,0005 0,001 460 1370 24,4 1,09 0,010 0,020 483 1440 24,2 0.98 0,020 0,038 490 1468 24,0 0.97 0.030 0,060 508 1506 23,5 0,96 0,035 0,070 525 4570 23.0 0,93 0,035 0.068 424 1280 25.0 1,14 0,012 0.024 428 1286 25,2 1,13 0.011 0,022 438 1312 23,4 1,07 0,010 0.020 446 1332 20,0 1,06 0,009 0,018 Алюміній як a -стабілізатор розміщується переважно в a -фазі, зміцнюючи її. Оскільки алюміній підвищує температуру деформації і термічної обробки, знижує корозійну стійкість, рекомендовано вводити його в новий сплав у кількості 0,1. 0,5%. Присутність алюмінію нижче 0,1% мало впливає на властивості сплаву, а ви ще 0,5% знижує, корозійну стійкість та ударну в'язкість. Вміст молібдену в титані менш 5,5% не забезпечує достатню корозійну стійкість у високоагресивних середовищах, а більш 5,7% знижує відносне видовження й ударну в'язкість, а також робить сплав надто дорогим. Тому рекомендовано вводити його в сплав у кількості 5,5...5,7%. Цирконій створює безперервний ряд твердих розчинів з a - і b -титаном, тому сприятливо впливає на показники міцності і пластичності, корозійну стійкість. Введення його в титановий сплав сприяє зменшенню розмірів первинних зерен, завдяки чому збільшується ударна в'язкість. Рекомендується додавати цирконій в кількості 3...3,5%. При вмісті його нижче 3% сплав мало зміцнюється, вище 3,5% - починає помітно знижуватися пластичність і корозійна стійкість. Виходячи з масиву даних механічних і корозійних властивостей, отриманих для бінарних сплавів, були виплавлені 5 багатокомпонентних сплавів, результати дослідження яких представлені в табл. 2. Оскільки стояла задача одержання корозійностійкого в дуже агресивних середовищах титанового сплаву з високою схильністю до деформування, оцінними критеріями при виборі багатокомпонентних титанових сплавів, які розглядаються, були значення sв , s т / sв , d, KCU, корозійна стійкість. Ці дані наведені в табл.3. 7 81428 8 Таблиця 3 Швидкість корозії в 20% НСl Ме ханічні властивості Сплав sв , МПа s т ,МПа 1 Ti-5,9Mo-1,0Al -1,1Fe-4,0OZr0,5V 2 Ti-5,5Mo-0,1Al-0,8Fe-3,0Zr0,2V 3 Ti-5,7Mo-0,5Al-0,9Fe-3,5Zr0,35V 4 Ti-6,0Mo-1,2Al-1,4Fe-4,5Zr0,7V 5 Ti-5,0Mo-0,05Al-0,6Fe-2,0Zr0,1V d ,% KCU, МДж/м 2 г/м 2.год мм/рік 902 800 0,89 10,2 0,51 0,100 0,230 786 690 0,88 12,3 0,85 0,033 0,065 841 740 0,88 11,8 0,73 0,029 0,066 953 850 0,89 10,4 0,37 0,020 0,045 700 602 0,87 12,7 0,90 0,041 0,081 Як випливає з аналізу табл.3, найбільш високу схильність до деформування й ударну в'язкість мають сплави 2, 3, 5, якщо виходити зі значень s т / sв , d і KCU. Проте через невисоку міцність сплаву 5 ( sв =700МПа, s т =602МПа) і меншу, ніж у сплавів 2 і 3, корозійну стійкість, більш високий рейтінг мають сплав 2 (Ti-5,5Mo-0,1Al-0,8Fe-3,OZr0,2V) і сплав 3 (Ті-5,7 Мо-0,5Al-0,9Fe-3,5Zr- 0,35V). Використаю джерела інформації 1. Глазунов С.Г., Моисеев Б.Н. Конструкционные материалы / Под ред.. А.Т.Туманова. - М.: Сов. энциклопедия, 1965.-С. 328-330. 2. Шаповалова О.М., Стриха Э.М. Таблицы коррозионной стойкости титана и его сплавов в раз Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін s т / sв , МПа личных агрессивных средах." М.: НИИХИММАШ, 1961.-137с. 3. Конструктирование и применение титанового оборудования, работающего в агрессивных средах. - М.: Из-во ЦНИИ цветной металлургии, 1972.-67с. 4. А.с. 544701 СССР, МКИ С22 С 14/00. Сплав на основе титана/ О.М. Шаповалова, Т.Н. Онищенко (СССР). - №2167419; Заявл. 11.07.75; Опубл. 30.01.77, Бюл. №4. - 3с. 5. Шаповалов О.В., Івченко T.I. Вплив заліза на механічні властивості титанових сплавів //Вісник Академії митної служби України. - Дніпропетровськ - 2003. - №2. – С. 63-69. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601