сплав на основе титана

Формула изобретения

Сплав на основе титана, состоящий из алюминия, ванадия, молибдена, железа, кислорода, отличающийся тем, что компоненты сплава взяты в следующем соотношении, мас.%:

Алюминий	3,5-4,4
Ванадий	2,0-4,0
Молибден	0,1-0,8
Железо	max 0,4
Кислород	max 0,25
Титан	Остальное

Описание изобретения к патенту

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--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 +-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 - и -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.%:

Алюминий	3,5-4,4
Ванадий	2,0-4,0
Молибден	0,1-0,8
Железо	max 0,4
Кислород	max 0,25
Титан	остальное

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

Алюминий является стабилизатором -фазы для +-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 -фазы для +-титановых сплавов, который обеспечивает повышение механической прочности, не образуя хрупкие интерметаллиды с титаном. Наличие ванадия в сплаве по мере стабилизации -фазы затрудняет образование ₂ - сверхструктуры в -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 -фазы для +-титановых сплавов. Введение молибдена в пределах 0,1-0,8% обеспечивает полную растворимость его в -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 -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 -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).

Таблица 1
Сплав	Химический состав сплава, мас.%
	Al	V	Мо	Fe	O
1	3,9	2,2	0,2	0,13	0,17
2	4,3	2,8	0,3	0,24	0,23
3	4,3	3,3	0,6	0,32	0,20

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 -осаженных заготовок, подвергнутых термической обработке при температуре 710°С, выдержке 3 часа и охлаждению на воздухе. Результаты испытаний механических свойств заготовок, полученных осадкой в + и -области, приведены в таблице 2.

Таблица 2
Сплав		Режим термообработки	Механические свойства
			в, МПа	0,2, МПа	, %	, %
1		Без отжига	810	735	15,2	38,2
		750°С 1 час, воздух	780	693	13,2	32,0
2		Без отжига	960	840	14,2	33,1
		750°С 1 час, воздух	920	845	13,6	32,5
3	+-обл.	710°С 3 часа, воздух	900	835	15	33,0
	-обл.	710°С 3 часа, воздух	870	800	14	28,0

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 +-области, так и в -области для изготовления широкой номенклатуры изделий, включая крупногабаритные штамповки и поковки, а также тонкие листы и фольгу.