Високоміцний титановий сплав

Реферат: Винахід належить до кольорової металургії. Високоміцний титановий сплав містить, мас. %: хром 0,7-1,2, алюміній 4,5-5,5, ніобій 3,5-4,5, цирконій 2,3-3,0, залізо 0,7-1,2, молібден 2,5-3,5, ванадій 1,5-2,5 та титан - решта, причому [Мо] екв. знаходиться в межах 7,5-11,8 мас. %; [Аl] екв. міцн. знаходиться в межах 8,9-9,8 мас. %. Крім того, виконується відповідне співвідношення Mоекв.ізом.   стаб. , Mоекв. евтект.   стаб. яке знаходиться в межах 1,2-2,1. Винахід підвищує міцність при забезпеченні достатньої пластичності основного металу і зварних з'єднань як у відпаленому, так і у зміцненому стані. UA 111002 C2 (12) UA 111002 C2 UA 111002 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до конструкційних металевих матеріалів, а саме - до титанових сплавів, що застосовуються при створенні високонавантажених зварних силових вузлів авіакосмічної техніки. Відомий сплав системи титан-алюміній-ванадій-молібден-хром-тантал-ніобій. Сплав призначений для виготовлення великогабаритних поковок і штамповок, що працюють при підвищених температурах (до 300 °C). Окрім цього, введення в сплав до 4 мас. % танталу призводить до значного збільшення вартості сплаву (патент Росії № 1508594 МПК С22С 14/00). Відомий сплав системи титан-алюміній-олово-цирконій-хром-молібден-ванадій-залізокремній з вмістом кисню до 0,21 мас. %. Сплав належить до сплавів з поганою зварністю і не може застосовуватись для виготовлення зварних конструкцій (патент Росії № 2346070 МПК С22С 14/00). Відомий сплав системи титан-алюміній-ванадій-цирконій-ніобій-олово-мідь-нікель-молібденмагній-бор. Сплав призначений для виготовлення деталей літальних апаратів. Однак при отриманні сплаву методами вакуумної металургії введення в сплав магнію та бору майже неможливе (патент Росії № 2332479 МПК С22С 14/00). Відомий сплав на основі титану, що містить алюміній, ванадій, молібден, цирконій, хром, залізо, кремній, азот, водень, а також, для підвищення конструкційної міцності та жароміцності, до 4 мас. % олова. Однак введення в сплав до 4 мас. % олова різко погіршує зварність цього сплаву за рахунок утворення великої кількості пор в зварних з'єднаннях, які є основою зниження порогу витривалості високонавантажених зварних силових вузлів (патент Росії № 1593259 МПК С22С 14/00). Відомий сплав системи титан-алюміній-ванадій-залізо-молібден, що додатково містить до 0,2 мас. % кисню. Сплав має високу твердість (HV>4000 МПа) і добре шліфується до дзеркального блиску. Сплав не рекомендується для використання в зварних конструкціях (Патент CINA № 5509979). Найбільш близьким за технічною суттю та досягнутим технічним результатом є титановий сплав Т110, що містить в мас. %: 5,0-6,0 алюмінію, 0,8-2,0 ванадію, 0,8-1,8 молібдену, 3,5-4,8 ніобію, 0,3-0,8 цирконію, 1,5-2,5, заліза, 0,15 кремнію, решта - титан (Патент UA 40087 ΜПΚ С22С 14/00). Сплав належить до високоміцних титанових сплавів подвійного призначення і застосовується головним чином при виготовленні високонавантажених зварних з'єднань вузлів авіакосмічної техніки, збірних зварних елементів бронезахисту екіпажів літаків, авіаційних двигунів, бронезасобів індивідуального захисту особового складу від вогнепальної зброї. Однак у відпаленому стані сплаву властива недостатня міцність (1100 МПа), а його зварні з'єднання як у відпаленому, так і в зміцненому стані мають недостатню міцність. Задача винаходу є підвищення міцності при забезпеченні достатньої пластичності основного металу і зварних з'єднань як у відпаленому, так і у зміцненому стані. Задачу вирішено створенням титанового сплаву, що містить алюміній, ніобій, цирконій, залізо, молібден, ванадій, згідно з винаходом, до його складу додатково введено (мас. %) хром 0,7-1,2, а вище перелічені компоненти взяті в наступному процентному співвідношенні по масі: алюміній 4,5-5,5; ніобій 3,5-4,5; цирконій 2,3-3,0; залізо 0,7-1,2; молібден 2,5-3,5 і ванадій 1,5-2,5, решта - титан (табл. 1). При цьому для отримання оптимального співвідношення міцності і пластичності необхідно дотримуватись наступних умов: [Мо] екв. знаходиться в межах 7,5-11,8 мас. %; [АI] екв. міцн. знаходиться в межах 8,9-9,8 мас. %; M0 екв. ізом.   стаб. M0 екв. евтект.   стаб. знаходиться в межах 1,2-2,1, Відомо, що алюміній, залізо, молібден, ванадій є ефективними зміцнюючими елементами титану. Алюміній - основний легуючий елемент в титанових сплавах, який суттєво зміцнює αтвердий розчин титану, але він ефективно зміцнює і β-твердий розчин. Введення алюмінію збільшує питому міцність сплаву, жароміцність, модуль пружності. З підвищенням вмісту алюмінію в сплавах понижується їх схильність до водневої крихкості. Алюміній, поряд з нейтральними зміцнювачами, гальмує утворення ω-фази при загартуванні та старінні, яка погіршує пластичні властивості. Найбільш ефективно зміцнююча дія алюмінію проявляється до 5 мас. % і помітно падає від 5 до 9 мас. % (60 і 40 МПа на 1 мас. % відповідно). Введення алюмінію більше, ніж 6 мас. % помітно знижує термічну стабільність сплаву, а також негативно впливає на пластичні властивості в результаті утворення інтерметалідної α2-фази (Ті3 АІ). Тому вміст алюмінію в сплаві обмежений 5,5 мас. %. Залізо належить до найбільш дешевих легуючих елементів у титані, тому його введення в титанові сплави економічно вигідно. При введенні заліза в сплав до 0,5 мас. % його міцність 1 UA 111002 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 підвищується на 20 МПа, а в інтервалі 2-10 мас. % підвищення вмісту заліза на 1 мас. % підвищує міцність на 45-70 МПа. При цьому пластичні властивості сплаву залишаються високими при вмісті заліза до 2,5 мас. %. При вмісті заліза в сплаві більше 2,5 мас. % можливе утворення інтерметалідних сполук, а також ω-фази, що призводять до зниження пластичності сплаву. Окрім цього, погіршується технологічна пластичність при гарячій обробці тиском. Молібден є ізоморфним β-стабілізуючим легуючим елементом титану, що ефективно підвищує міцність при кімнатній та високих температурах. Крім того, молібден підвищує термічну стабільність сплавів, що містять залізо та хром, пригнічуючи евтектоїдний розпад. Міцність сплавів титану з молібденом може бути підвищена шляхом закалки та старіння. Вміст молібдену в сплаві системи Ті - Аl - Мо до 1,5-1,8 мас. % не погіршує пластичності зварних з'єднань порівняно з основним металом. До різкого погіршення пластичності зварних з'єднань порівняно з основним металом призводить підвищення вмісту молібдену в інтервалі 3,5-6,5 мас. %. Тому молібден був введений до розробленого сплаву в кількості 2,5-3,5 мас. %. Ванадій належить до небагатьох легуючих елементів в титані, які підвищують не тільки міцність, але й пластичність. Це пов'язано з його специфічною дією на параметри решітки αтитану. Окрім того, ванадій ускладнює утворення інтерметалідної α2-фази (Ті3Аl). Вміст ванадію в розробленому сплаві 1,5-2,5 мас. % близький до його розчинності в α-фазі, нижня межа вмісту ванадію (1,5 мас. %) визначається досягненням необхідної міцності при наданій системі легування. При досягнутому рівні міцності підвищення вмісту ванадію (>2,5 %) призведе до зниження пластичності сплаву і особливо зварних з'єднань. Легування сплаву ніобієм в зазначених межах значно підвищує ударну в'язкість сплаву і, особливо, його зварних з'єднань як у відпаленому, так і у зміцненому стані. Це пов'язано з високою розчинністю ніобію в α-фазі, що зменшує гетерогенність його розподілення в α- і βфазах. Окрім цього, за рахунок додаткового легування α-фази ніобієм, підвищується його термопластичність і в'язкість руйнування. З подальшим підвищенням вмісту ніобію суттєвого покращення пластичності не відбувається. Цирконій виконує функцію мікролегуючого елемента. Він не змінює механічних властивостей фазових складників, але змінює їх морфологію, особливо покращується структурний стан металу, що підлягає впливу термічного циклу зварювання. Властивості основного металу та зварних з'єднань, за наявності в сплаві цирконію, - близькі між собою. Як і алюміній, цирконій придушує утворення ω-фази при загартуванні та старінні сплаву. Окрім цього, цирконій, як нейтральний зміцнювач, зменшує негативний вплив газових домішок, а саме - кисню, а також сприяє утворенню більш дрібнозернистої структури сплаву. Тому є доцільним введення цирконію в сплав в кількості 2,3-3,0 % мас. Хром, як і залізо, підвищує міцність титанового сплаву як у відпаленому стані, так і після термічного зміцнення. Недолік евтектоїдоутворюючих легуючих елементів - евтектоїдний розпад β-фази при підвищених температурах, що супроводжується виділенням інтерметалідної сполуки (в сплавах з хромом це ТіСr2) або ж ω-фази, які спричиняють втрату пластичності. Якщо евтектоїдний розпад в сплавах і не призводить до значного погіршення властивостей, його треба враховувати при експлуатації конструкції при підвищених температурах, а також при різноманітних технологічних операціях, в тому числі і при зварюванні. Вміст хрому в розробленому сплаві знаходиться в межах 0,7-1,2 мас. %, коли евтектоїдне перетворення відбувається повільно і його вплив на фізико-механічні властивості - незначний. Окрім того, процес евтектоїдного розпаду та виділення ω-фази при комплексному легуванні сплаву гальмується введенням інших легуючих елементів. [Мо] екв. - еквівалента концентрація β-стабілізаторів по відношенню до молібдену. [АІ] екв. міцн. - еквівалента концентрація α-стабілізаторів і нейтральних зміцнювачів по відношенню до алюмінію. [Мо] екв. ізом. β-стаб. - еквівалентна концентрація ізоморфних β-стабілізаторів по відношенню до молібдену; [Мо] екв. евтект. β-стаб. - еквівалентна концентрація евтектоїдних β-стабілізаторів по відношенню до молібдену. При одному й тому ж рівні еквівалента по молібдену міцнісні властивості сплавів більші при більшому [АІ] екв. міцн., а пластичність і технологічність дещо нижчі, але залишаються на задовільному рівні при [АІ] екв. міцн.