ЭКОНОМНОЛЕГИРОВАННЫЙ ТИТАНОВЫЙ СПЛАВ
SPARINGLY DOPED TITANIUM ALLOY

Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно к созданию конструкционных титановых сплавов, предназначенных для изготовления средненагруженных деталей, в том числе для набора планера воздушного судна, работающих длительно при температурах от -70 до +400 градусов Цельсия.
Известен сплав на основе титана (RU 2175992 C1, С22С 14/00, опубл. 20.11.2001), имеющий следующий состав, мас. %:
Алюминий
4,5-7,3
Молибден
0,4-3,8
Цирконий
3,0-5,0
Олово
1,5-3,5
Ниобий
0,5-2,0
Железо
0,04-0,28
Кремний
0,05-0,50
Гадолиний
0,01-0,2
Углерод
0,01-0,3
Кислород
0,04-0,2
Водород
0,005-0,30
Азот
0,005-0,04
Титан
остальное
Полуфабрикаты из данного сплава в виде листов предназначены для изготовления деталей и узлов авиационной техники, работающих при повышенных температурах. Сплав обладает хорошей жаропрочностью, однако недостатками сплава являются низкие удельные свойства вследствие относительно высокой плотности и повышенная стоимость вследствие значительного содержания дефицитных и дорогостоящих элементов, таких как молибден и ниобий, а также олова.
Известен сплав на основе титана (US 6786985 В2, С22С 14/00, опубл. 07.09.2004), имеющий следующий состав, мас. %:
Алюминий
4,5-5,5
Ванадий
3,0-5,0
Молибден
0,3-1,8
Железо
0,2-0,8
Кислород
0,12-0,25
Титан
остальное
Данный сплав имеет двухфазную структуру, которая обеспечивает высокий комплекс прочностных характеристик при температуре 20 градусов Цельсия (максимальное значение предела прочности после упрочняющей термической обработки достигает 1400 МПа), однако при этом характеристики вязкости и пластичности сплава остаются низкими (относительное удлинение для сплава с вариантом состава, который обеспечивает максимальную прочность, не превышает 10%).
Известна также группа сплавов на основе титана (RU 2122040 С1, опубл. 20.11.1998; US 6632396 В1, опубл. 14.10.2003; RU 2169782 С1, опубл. 27.06.2001; ЕР 1882752 А4, опубл. 03.06.2009; все С22С 14/00), содержащих алюминий, ванадий, молибден, хром, железо, цирконий, кислород и титан, а также углерод или азот, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Титановые сплавы представленной группы обладают хорошей прокаливаемостью и используются для изготовления крупногабаритных поковок и штамповок, а также прутков, плит и крепежа. Снижение количества алюминия в сплаве по US 6632396 В1 по сравнению со сплавом по RU 2122040 С1 позволило увеличить низкотемпературную технологичность (такой сплав может быть подвергнут холодной обработке давлением).
Недостатками вышеуказанной группы сплавов являются:
- недостаточная прочность и технологичность (склонность к растрескиванию при обработке давлением);
- повышенная плотность и высокая стоимость (вследствие содержания таких элементов, как ванадий, молибден и хром).
Наиболее близким аналогом предлагаемому сплаву по технической сущности и достигаемому эффекту является сплав на основе титана (US 5980655 А, С22С 14/00, опубл. 09.11.1999), принятый за прототип, содержащий алюминий, ванадий, железо, кислород, углерод, азот и титан, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Алюминий
2,9-5,0
Ванадий
2,0-3,0
Железо
0,4-2,0
Кислород
0,2-0,3
Углерод
0,005-0,03
Азот
0,001-0,02
Титан
остальное
Сплав-прототип предназначен для изготовления изделий методом термомеханической обработки и имеет следующие недостатки:
- недостаточно высокий уровень прочностных характеристик при температуре 20 градусов Цельсия (значения пределов прочности и текучести не превышают 1000 и 920 МПа, соответственно);
- высокую склонность к охрупчиванию в процессе эксплуатации изготовленных из него изделий вследствие содержания кислорода выше предела растворимости.
Технической задачей изобретения является создание конструкционного экономнолегированного сплава на основе титана, обладающего сбалансированным комплексом физико-механических и эксплуатационных характеристик, из которого возможно изготовление деформированных полуфабрикатов и изделий различного назначения.
Техническим результатом изобретения является повышение пределов прочности и текучести при температуре 20 градусов Цельсия, а также повышение стабильности структуры и снижение склонности к охрупчиванию в процессе эксплуатации при отрицательных (до -70 градусов Цельсия), нормальной (20 градусов Цельсия) и повышенных (до +400 градусов Цельсия) температурах.
Для достижения технического результата предлагается сплав на основе титана, содержащий алюминий, ванадий, железо, кислород, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кремний и гадолиний, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Алюминий
4,5-6,5
Ванадий
1,0-3,0
Железо
0,5-2,5
Гадолиний
0,2-0,6
Кремний
0,003-0,15
Кислород
0,003-0,15
Титан
остальное
Предложенный сплав на основе титана может дополнительно содержать цирконий в количестве от 0,5 до 1,5 мас. %; при этом предпочтительно, чтобы суммарное содержание железа и циркония было менее или равно 2,1 мас. %.
Выбор системы легирования и количественного соотношения компонентов предлагаемого титанового сплава отвечает требованиям экономного легирования, основанного на выборе таких легирующих элементов, которые имели бы относительно небольшую стоимость и/или входили бы в состав наиболее доступных лигатурных сплавов, в том числе «естественных лигатур», таких как ферротитан и феррованадий. Выполнение данных условий позволяет удешевить процесс производства и, соответственно, снизить себестоимость полуфабрикатов и готовых изделий из экономнолегированного сплава по сравнению с традиционными конструкционными титановыми сплавами при сохранении уровня механических и эксплуатационных свойств.
2
3
Алюминий является альфа-стабилизатором и основным упрочняющим элементом в конструкционных сплавах на основе титана. Содержание алюминия в предлагаемом сплаве ограничено интервалом 4,5-6,5 мас. %, что обеспечивает наилучшее сочетание прочностных и пластических характеристик сплава и исключает выделение в процессе длительной эксплуатации при повышенных температурах охрупчивающей α-фазы на основе интерметаллида TiAl, появление которой возможно при концентрациях алюминия, превышающих его предельную растворимость в α-фазе (т.е. свыше 8 мас. %).
Ванадий вводится для повышения пластичности и технологичности сплава, что достигается за счет стабилизации β-фазы в структуре.
Железо и кремний являются эвтектоидообразующими бета-стабилизаторами, которые понижают температуры трансуса. Введение железа в сплав приводит к его упрочнению и одновременно позволяет снизить стоимость сплава, т.к. при этом нет необходимости вводить большие количества дефицитных бета-стабилизирующих упрочнителей (например, тантал или молибден). Небольшая добавка кремния также способствует повышению прочностных характеристик. Содержание кремния ограничено на уровне не более 0,15 мас. %, не превышающем предел растворимости, в целях исключения возможного выделения в сплаве хрупких силицидных фаз.
Кислород является альтернативным альфа-стабилизатором и дополнительно упрочняет сплав. Однако присутствие кислорода в титановых сплавах провоцирует образование охрупчивающей ω-фазы: известно (Niinomi М. // Proc. of 12th World Conf. on Titanium. Опубл. 2012. Т. I. С. 30-37), что при содержании кислорода в титановых сплавах более 0,33 мас. % происходит резкое падение пластичности, что негативно сказывается на технологичности. Поэтому в предлагаемом сплаве содержание кислорода снижено в 2 раза по сравнению с прототипом и ограничено на уровне, не превышающем 0,15 мас. %, что гарантированно исключает уменьшение пластичности.
Добавка в сплав редкоземельного элемента гадолиния оказывает эффективное модифицирующее действие на расплав: в процессе кристаллизации формируется большое число центров зарождения частиц α-фазы, а сами частицы растут в виде тонких (толщиной не более 5 мкм) пластин, собранных в колонии, которые заполняют объем бывшего β-зерна. Таким образом, в результате введения гадолиния в слитках предлагаемого сплава формируется благоприятная с точки зрения комплекса свойств структура с тонкопластинчатой морфологией.
Предлагаемый экономнолегированный титановый сплав относится к сплавам (α+β)-класса. Экспериментально было установлено, что структура предлагаемого сплава в состоянии после термической обработки представлена двумя основными фазами: α (до 90 об. %) и β (до 10 об. %).
Примеры осуществления.
Методом двукратного переплава в вакуумной дуговой печи (ВДП) с расходуемым электродом были получены слитки цилиндрической формы из сплава на основе титана с различным соотношением компонентов в установленных пределах легирования. Масса каждого слитка составляла от 20 до 25 кг; составы предлагаемого сплава (1-5) и известного сплава-прототипа (6) приведены в таблице 1.
Выплавленные слитки подвергали обработке давлением (методом ковки) при температурах β- и (α+β)-области со степенью деформации не более 50% за один проход и получали деформированные полуфабрикаты в виде поковок толщиной 50 мм. Затем проводили двухступенчатую упрочняющую термическую обработку поковок.
После термической обработки из поковок вырезали гладкие цилиндрические образцы и образцы Шарпи с U-образным надрезом для проведения испытаний с целью определения следующих характеристик:
- предела кратковременной прочности при статических испытаниях на растяжение по ГОСТ 1497;
- предела текучести (условного) при статических испытаниях на растяжение по ГОСТ 1497;
- ударной вязкости при динамических испытаниях на ударный изгиб при отрицательной (-70 градусов Цельсия), нормальной (+20 градусов Цельсия) и повышенной (+400 градусов Цельсия) температурах по ГОСТ 9454.
Значения характеристик механических свойств предлагаемого сплава и известного сплава-прототипа приведены в таблице 2.
Как видно из таблицы 2, значения пределов прочности и текучести предлагаемого сплава по сравнению со сплавом-прототипом при температуре испытаний 20 градусов Цельсия повысились на 8-17% в зависимости от композиции предлагаемого сплава. Значения ударной вязкости, полученные в ходе испытаний при различных температурах, подтверждают возможность применения предлагаемого сплава в интервале температур от -70 до +400 градусов Цельсия.
Использование предлагаемого экономнолегированного титанового сплава для изготовления средненагруженных деталей, в том числе для набора планера воздушного судна, работающих длительно при температурах от -70 до +400 градусов Цельсия, а также для изготовления комбинированных соединений с углепластиком (элементы обшивки, декоративные конструкции и др.), работающих при температурах, определяемых теплостойкостью углепластика, позволит повысить надежность выполненных из него изделий за счет более высоких значений прочностных характеристик и их ресурс за счет повышенной стабильности структуры и меньшей склонности к охрупчиванию в процессе эксплуатации при различных температурах.