ТИТАНОВЫЙ СПЛАВ ДЛЯ СИЛОВЫХ КРЕПЕЖНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
TITANIUM ALLOY FOR POWER FASTENING ELEMENTS

Изобретение относится к металлургии титановых сплавов, содержащих в качестве основы титан с заданным соотношением легирующих и примесных элементов, и предназначено для использования в атомном энергетическом машиностроении при производстве силовых крепежных элементов фланцевых соединений и герметичных разъемов различных сосудов давления, трубопроводов и арматуры реакторного оборудования.
Известны конструкционные титановые материалы, применяемые в машиностроении и атомной энергетике (например, титановые сплавы типа ВТ, ОТ и ПТ, а также другие аналоги), указанные в государственных и отраслевых стандартах, а также в научно-технической литературе [1-5]. Однако известные сплавы в ряде случаев не обеспечивают требуемого уровня и стабильности основных физико-механических и служебных характеристик материала в условиях длительной высокотемпературной эксплуатации силового крепежа, что снижает работоспособность и эксплуатационную надежность энергетического оборудования и не отвечает требованиям, предъявляемым к объектам ядерной энергетики при их эксплуатации в течение заданного ресурса.
Наиболее близким к заявленной композиции по базовому составу и функциональному назначению является титановый (α+β) сплав марки ВТ 16 системы Ti-Al-Mo-V ОСТ 1.90013 [1], содержащий в своем составе легирующие и примесные элементы в следующем соотношении, в мас.%:
Алюминий
1,6-3,0
Молибден
4,5-5,5
Ванадий
4,5-5,0
Цирконий
≤0,3
Железо
≤0,25
Кремний
≤0,15
Углерод
≤0,10
Кислород
≤0,15
Азот
≤0,05
Водород
≤0,015
Титан
основа
Известный титановый сплав характеризуется недостаточно высоким уровнем кратковременной и длительной прочности при температурах эксплуатации (до 300°С) крепежных элементов реакторного оборудования. Вместе с тем этот сплав обладает низким сопротивлением усталости в агрессивных средах, а также пониженными значениями пластичности и ударной вязкости после нейтронного облучения.
Техническим результатом настоящего изобретения является создание титанового сплава для силовых крепежных элементов, обладающего более высоким уровнем кратковременной и длительной прочности при температурах эксплуатации крепежных элементов реакторного оборудования (300°С), повышенным сопротивлением усталости в агрессивных средах, а также более высокими значениями пластичности и ударной вязкости после нейтронного облучения.
Технический результат достигается за счет того, что в титановом сплаве для силовых крепежных элементов, содержащем алюминий, молибден, ванадий, цирконий, железо, кремний, титан, углерод, кислород, азот, водород, согласно изобретению дополнительно введены ниобий, вольфрам, никель и церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Алюминий
2,5-3,5
Молибден
4,5-5,5
Ванадий
4,5-5,0
Цирконий
0,1-0,3
Железо
0,05-0,25
Кремний
0,05-0,15
Ниобий
0,1-0,3
Вольфрам
0,03-0,08
Никель
0,05-0,1
Церий
0,003-0,008
Углерод
0,03-0,10
Кислород
0,05-0,15
Азот
0,01-0,05
Водород
0,005-0,010
Титан
основа
При этом суммарное содержание углерода и азота не должно превышать 0,12% при значительном ограничении (до 0,010%) содержания водорода в твердом растворе.
Соотношение указанных легирующих и примесных элементов выбрано таким, чтобы заявляемый сплав после соответствующей термической обработки обеспечивал формирование наиболее оптимального структурного состояния, требуемый уровень и стабильность важнейших стуктурно-чувствительных характеристик материала, во многом определяющих заданную работоспособность и эксплуатационную надежность силового крепежа фланцевых соединений и технологических разъемов герметизирующих устройств реакторного оборудования.
Комплексное введение в заданную композицию микролегирющих и модифицирующих добавок ниобия, вольфрама, никеля и церия в указанном соотношении с другими легирующими элементами, прежде всего с алюминием, молибденом и ванадием, улучшает структурную стабильность и деформационную способность материала, снижает его чувствительность к коррозионно-усталостному разрушению при длительной эксплуатации в рабочих средах, а ограничение суммарного содержания азота и углерода повышает работу зарождения и развития трещин в условиях статического и динамического нагружений. При этом, как показали результаты исследований [5-9], происходит более равномерное распределение легирующих элементов по всему сечению слитка и полуфабрикатов, металл эффективнее очищается от вредных примесей и газов, более активно идет формирование мелкозернистой структуры с равноосной формой зерен, тоньше и чище становяться их границы, увеличивается прочность межкристаллитной связи, что в целом обеспечивает значительное повышение пластичности и вязкости металла в сложных условиях длительной эксплуатации силового крепежа. Введение модифицирующих добавок вне указанных в формуле изобретения пределов снижает эффективность их положительного влияния и не приводит к заметному улучшению этих структурно-чувствительных характеристик работоспособности материала крепежных элементов.
Фрактографический анализ поверхности изломов образцов методом сканирования на растровом электронном микроскопе показал, что в заявляемом сплаве доля вязкой составляющей в зоне усталостного разрушения металла заметно возрастает, по сравнению с известным составом.
Полученный более высокий уровень основных механических и служебных характеристик сплава обеспечивается комплексным легированием заявляемой композиции в указанном соотношении с другими элементами, сбалансированным химическим и фазовым составом, нормированным содержанием вводимых микролегирющих и модифицирующих добавок, а также контролем чистоты металла по содержанию остаточных вредных примесей.
В ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей» совместно с другими предприятиями отрасли в соответствии с планом проводимых научно-исследовательских разработок в рамках федеральной целевой программы «Энергетика-2015» выполнен необходимый комплекс лабораторных, расчетных и опытно-технологических работ по выплавке, пластической и термической обработке создаваемой марки сплава. Металл выплавлялся в вакуумных гарнисажных электропечах с магнитоуправляемой дугой с последующей обработкой на кузнечно-прессовом оборудовании с получением полуфабрикатов требуемого сортамента.
Химический состав исследованных материалов и результаты определения основных механических и служебных характеристик представлены в табл.1-3.
Ожидаемый технико-экономический эффект от применения разработанного титанового сплава в атомной энергетике и других отраслях народного хозяйства выразится в повышении эксплуатационной надежности и ресурса работы высоконагруженных фланцевых соединений и герметичных разъемов реакторного оборудования создаваемых атомных и термоядерных установок.
Таблица 2
Механические и эксплуатационные свойства исследованных материалов в отожженном состоянии
Состав
Условный номер сплава
Механические свойства при температуре, °С
Предел длительной прочности, σ<sub>1000</sub> <sup>300°C</sup>
Ударная вязкость KCU и относительное удлинение δ<sub>5</sub> после нейтронного облучения
Тип зерна
20
300
σ<sub>в</sub>
σ<sub>0,2</sub>
δ<sub>5</sub>
Ψ
σ<sub>в</sub>
σ<sub>0,2</sub>
δ<sub>5</sub>
Ψ
МПа
%
МПа
%
МПа
кДж/м<sup>2</sup>
%
Заявляемый
1
890
833
19,8
62,6
764
731
17,8
68,0
614
680
16,5
6
2
915
854
18,2
58,3
782
755
19,4
66,2
628
650
14,7
6
3
930
870
17,9
56,7
815
772
18,1
63,7
645
638
16,1
6
Известный
4
824
785
16,0
54,0
748
718
17,3
62,1
598
620
12,0
4
Примечание: 1. Результаты механических испытаний усреднены по трем образцам на точку
2. Испытания на длительную прочность проводили при 300°С на базе 1000 часов в соответствии с ГОСТ 10145
3.Нейтронное облучение образцов проводили в активной зоне водо-водяного реактора ВВР-М при дозе облучения Ф=10<sup>20</sup> нейтр/см<sup>2</sup> (энергия нейтронов Е=0,5 МэВ), температура облучения Тобл.=300°С
Таблица 3
Усталостная и коррозионно-усталостная прочность исследованных сплавов
Состав
Условный номер сплава
Пределы выносливости σ<sub>-1</sub>, МПа на базе 10<sup>7</sup> циклов при испытании
на воздухе
в синтетической морской воде
гладкие образцы
с надрезом
гладкие образцы
с надрезом
Заявленный
1
469
275
442
239
2
482
292
463
251
3
498
328
472
264
Известный
4
437
257
398
198
Примечание. Усталостные испытания проводили на консольных образцах в условиях поперечного изгиба с вращением по симметричному циклу (ГОСТ 25.502-79).
Литература
1. ОСТ 1 90013-71 «Сплавы титановые» (марки), прототип.
2. ОСТ 1 90202-75 «Прутки горячекатаные из сплава марки ВТ 16».
3. ГОСТ 19807 «Титан и сплавы титановые деформируемые» (марки).
4. Б.Б. Чечулин, С.С.Ушков и др. Титановые сплавы в машиностроении. Изд-во «Машиностроение», Л. 1977.
5. И.В.Горынин, В.В.Рыбин, С.С.Ушков и др. Титановые сплавы как перспективный реакторный материал. Сб.ст. «Радиационное материаловедение и конструкционная прочность реакторных материалов» Изд-е ЦНИИ КМ «Прометей», С-Пб, 2002.
6. К.Д.Хромушкин, А.Н.Савкин «Влияние напряжений затяжки на релаксационную стойкость и усталостную прочность резьбового соединения». Сб. Судостроительная промышленность. Вып.1, С-Пб, 1986.
7. В.А.Межонов, К.Д.Хромушкин «Влияние антизадирных покрытий на характеристики свинчиваемости и коррозионно-механическую прочность болтов из титановых сплавов». Сб. Судостроительная промышленность. Вып.11, С-Пб, 1991.
8. О.А.Кожевников, В.В.Рыбин, Е.В.Нестерова и др. «Механические свойства, тонкая структура и микромеханизмы разрушения облученных нейтронами сплавов титана». Журнал «Металловедение и термическая обработка металлов», №9, 1999.
9. И.И.Горынин, С.С.Ушков, А.Н.Хатунцев, Н.И.Лошакова «Титановые сплавы для морской техники». Изд-во «Политехника». С-Пб, 2007.