ЛИГАТУРА ДЛЯ ВЫПЛАВКИ ЖАРОПРОЧНОГО ТИТАНОВОГО СПЛАВА И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
FOUNDRY ALLOY FOR CASTING HEAT-RESISTANT TITANIUM ALLOY AND METHOD OF ITS MAKING

Изобретение относится к области металлургии цветных металлов, в частности к производству лигатур, предназначенных для легирования жаропрочных сплавов на основе титана.
Известно, что в настоящее время практически во всех отраслях промышленности, в том числе в авиационно-космической, детали и узлы изделий эксплуатируются при высоких нагрузках и повышенных температурах, поэтому их часто выполняют из титановых сплавов. Поскольку титановые сплавы, как правило, имеют сложный многокомпонентный химический состав, то для их получения необходимо применять высококачественную лигатуру. При выплавке многих титановых сплавов применяют одну, а иногда и несколько лигатур, которые добавляют к исходным шихтовым материалам в начале плавки или вводят непосредственно в расплав жидкого титана, для регулирования базового химического состава титанового сплава. Как известно, в данной области техники, лигатура представляет собой смесь легирующих элементов, предназначенных для корректировки процентного содержания необходимых компонентов в расплаве.
Поскольку химический состав титанового сплава известен заранее, то достаточно просто определить, какое количество лигатуры должно быть добавлено для достижения желательного химического состава расплава. Однако следует учитывать, все ли количество добавленной лигатуры будет полностью и равномерным образом распределено в расплаве. Поэтому одна из основных задач - это разработка лигатур, которые будут легко плавиться и равномерно распределяться в расплавленном металле.
Из уровня техники известны двойные и тройные лигатуры, например: Al-V, Al-Sn, Al-Mo-Ti, Al-Cr-Mo, с помощью которых можно выплавлять практически любые титановые сплавы («Плавка и литье титановых сплавов» Андреев А.Л., Аношкин Н.Ф. и другие. - М.: Металлургия, 1994 г., стр.127, табл.20 /1/).
При выплавке титановых сплавов необходимо обеспечить получение достаточно точного химического состава, поэтому применение двойных или тройных лигатур может привести к превышению требуемого содержания химических элементов, в частности алюминия, из-за его большого содержания в лигатурах.
Из уровня техники известна лигатура для получения титановых сплавов, содержащая следующие компоненты, мас.%: молибден - 23,99; ванадий - 25,44; алюминий - 49,98; железо - 0,19; кремний - 0,22; углерод -0,06; кислород - 0,07; водород - 0,0017; азот - 0,012 (US 3387971, С22С 21/00, 11.06.1968, /2/).
Недостатком данной лигатуры является необходимость дополнительного введения чистых тугоплавких металлов в расплав, что в условиях вакуумно-дуговой плавки достаточно затруднительно и может привести к непроплавлению отдельных кусков составляющих компонентов, что способствует к появлению такого дефекта, как ликвация по химическому составу.
Одной из самых распространенных проблем в металлургии при выплавке титановых сплавов, содержащих вольфрам, является его неоднородное распределение из-за высокой плотности по сечению и длине слитка или заготовок деталей.
Задачей, на решение которой направленно данное изобретение, является разработка и получение лигатуры для выплавки жаропрочных титановых сплавов с однородным содержанием легирующих элементов по сечению и длине слитков (заготовок), что позволит избежать ликвации по химическому составу.
Техническим результатом при реализации предлагаемой группы изобретений является то, что предложенная лигатура и способ ее получения обеспечят равномерное распределение вольфрама и других легирующих элементов по сечению и длине слитка. При этом произойдет улучшение прочностных и жаростойких характеристик, которые непосредственно влияют на работоспособность деталей из титанового сплава.
На достижение указанного технического результата оказывают влияние следующие существенные признаки.
Лигатура для получения жаропрочного титанового сплава, содержащая вольфрам, титан, гафний, алюминий, характеризуется тем, что содержит данные компоненты, при следующем соотношении, мас%: вольфрам 48,0-52,0; титан 10,0-20,0; гафний 0,08-0,1; алюминий - остальное.
Химический состав лигатуры представлен в таблице 1:
Таблица 1
Марка лигатуры
Легирующие элементы, % по массе
Примеси, % не более
W
Ti
Hf
Al
Fe
Si
S
ВТА
48,0-52,0
10,0-20,0
0,08-0,1
остальное
0,5
0,5
0,01
Основные компоненты лигатуры ВТА (W, Ti, Al) имеют сильно разнящиеся физико-химические характеристики (удельная плотность, температура плавления, температура кипения (таблица 2)), что в значительной мере осложняет выбор метода выплавки.
Таблица 2
Элемент
Удельная плотность, г/см<sup>3</sup>
Температура плавления, °С
Температура кипения, °С
Алюминий
2,7
660
2519
Вольфрам
19,3
3422
5554
Титан
4,5
1668
3169
Высокая температура плавления вольфрама и высокое сродство к кислороду титана обуславливает выбор в качестве способа получения слитков лигатуры плавку в вакуумной дуговой печи. При этом методе слиток лигатуры формируется под действием плазмы электрической дуги, возникающей между нерасходуемым вольфрамовым электродом и металлической шихтой в медном водоохлаждаемом кристаллизаторе. Преимуществом этого метода является отсутствие взаимодействия расплава с материалом кристаллизатора, а недостатком - большие потери тепла в силу высокой теплопроводности меди. От использования вакуумно-индукционной выплавки было решено отказаться по причине невозможности получения температуры, необходимой для расплавления наиболее тугоплавкого компонента - вольфрама. Поэтому в качестве метода выплавки лигатуры ВТА было решено использовать плавку в вакуумной дуговой печи.
В результате разработки данной лигатуры установлено, что наличие в лигатуре вольфрама повышает жаростойкость за счет формирования в структуре сплава плотных оксидных соединений вольфрама, затрудняющих проницаемость кислорода и водорода к границам раздела фаз при повышенных температурах и образования в поверхностном слое легированных твердых растворов титана с вольфрамом.
Содержание гафния в лигатуре в данном процентном соотношении влияет в первую очередь на повышение прочности сплава без снижения пластичности. Заявленное содержание алюминия в лигатуре способствует повышению термической стабильности сплава.
Способ изготовления лигатуры для выплавки жаропрочного титанового сплава, которая состоит из вольфрама, титана, гафния, алюминия, характеризуется тем, что лигатура содержит данные компоненты, при следующем соотношении, мас%:
Вольфрам
48,0-52,0
Титан
10,0-20,0
Гафний
0,08-0,1
Алюминий
Остальное,
а выплавку лигатуры осуществляют в вакуумной дуговой печи с нерасходуемым вольфрамовым электродом, перед плавкой шихту помещают в медный водоохлаждаемый кристаллизатор, печь закрывают и начинают откачку печи до остаточного давления (0,01÷0,05 мм рт. ст.), по достижении этой степени разряжения в рабочее пространство печи напускают аргон до давления, равного величине атмосферного, далее на первом этапе сплавляют титан и вольфрам в пропорции, которая соответствует содержанию этих элементов в лигатуре, до состояния, при котором должно произойти полное растворение шихтующих материалов с образованием единого слитка, при этом на дно медного кристаллизатора помещают титан, а на него более плотный вольфрам, величина тока дуги между шихтой и электродом составляла 750÷1100 А, при этом время плавки составляло 3÷10 минут, а для усреднения химического состава слитка его извлекают из кристаллизатора, переворачивают и подвергают повторному переплаву, температура расплава на 30÷50°С выше температуры ликвидус сплава Ti-W, затем к слитку Ti-W добавляют необходимое количество алюминия и гафния, который размещается под слитком более плотного Ti-W сплава, температура расплава составляет 1750÷1900°С.
В варианте исполнения изготовление лигатуры для выплавки жаропрочного титанового сплава, которая состоит из вольфрама, титана, гафния, алюминия, характеризуется тем, что содержит данные компоненты, при следующем соотношении, мас%:
Вольфрам
52,0
Титан
12,4
Гафний
0,1
Алюминий
35,5
осуществляют в вакуумной дуговой печи с нерасходуемым вольфрамовым электродом, перед плавкой шихту помещают в медный водоохлаждаемый кристаллизатор, печь закрывают и начинают откачку печи до остаточного давления (0,02 мм рт. ст.), по достижении этой степени разряжения в рабочее пространство печи напускают аргон до давления, равного величине атмосферного.
На первом этапе сплавляют титан и вольфрам в пропорции, которая соответствует содержанию этих элементов в лигатуре. На дно медного кристаллизатора помещают титан, а на него более плотный вольфрам, чтобы более тяжелый металл (вольфрам) стекал на более легкий (титан), должно произойти полное растворение шихтующих материалов с образованием единого слитка. Величина тока дуги между шихтой и электродом составляла 800 А, время плавки составляло 7 минут в зависимости от крупности кусков сплавляемых компонентов и их состояния (например, окисленности). Для усреднения химического состава слитка его извлекают из кристаллизатора, переворачивают и подвергают повторному переплаву. Температура расплава была на 40°С выше температуры ликвидус (2450÷2500°С) сплава Ti-W. После второго переплава слитка Ti-W к нему добавляют необходимое расчетное количество алюминия (Аl) и гафния (Hf), в соответствии с его содержанием в лигатуре. Алюминий и гафний размещают под слитком более плотного Ti-W сплава и проводят дальнейшую плавку при температуре до 1900°С. После полного остывания слитка(ов) до температуры 20°С (комнатной температуры) производим механическим путем дробление на куски размером от 5 до 15 мм.
В результате проведенных работ было установлено, что температура плавления лигатуры ВТА (Ti-W-Al) составляет 1750÷1900°С. Химический состав полученной лигатуры ВТА представлен в таблице 3:
Таблица 3
Марка лигатуры
Легирующие элементы, % по массе
Примеси, % не более
W
Ti
Hf
Аl
Fe
Si
S
ВТА
52,0
12,4
0,1
35,5
0,5
0,5
0,01
Таким образом, предлагаемая группа изобретений обеспечивает равномерное распределение вольфрама (W) и других легирующих добавок (Al, Hf) по сечению и длине слитка, что приводит к улучшению прочностных и жаростойких характеристик жаропрочного титанового сплава.