ЛИСТОВОЙ МАТЕРИАЛ ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА И КОМПОНЕНТ ВЫХЛОПНОЙ СИСТЕМЫ
SHEET MATERIAL MADE OF A TITANIUM ALLOY AND EXHAUST SYSTEM COMPONENT

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к созданию листового материала из низколегированных титановых сплавов, обладающих жаропрочностью и стойкостью к окислению, а также стабильностью структуры при длительных эксплуатационных выдержках в диапазоне температур до 800°С и может быть использовано для изготовления изделий, длительно работающих при высоких температурах, в частности компонентах выхлопных систем двигателей транспортных средств.
В различных коммерческих применениях, например, производство двигателей внутреннего сгорания и выхлопных систем, сплавы на основе титана используются в производстве компонентов для них, таких как впускные и выпускные клапаны, корпуса, рабочая крыльчатка турбины, трубы и баки. Во многих из этих применений компоненты двигателей, в частности выхлопных систем, изготовленные из низколегированных сплавов на основе титана, подвергаются рабочим температурам порядка 500-800°С. Поэтому эксплуатационные свойства материалов, такие как жаропрочность и стойкость к окислению, являются приоритетными. Кроме того, используемый материал должен обладать достаточной технологической пластичностью, потому что компоненты, в основном, изготовляют холодной формовкой из листового проката и путем изгиба сварных труб. Для получения высоких характеристик пластичности важно создать в материале структуру с глобулярной морфологией зерен α-фазы, так как глобулярная микроструктура имеет лучшие свойства для формовки, чем игольчатая структура.
По мере того как конструкторы двигателей внутреннего сгорания повышают эффективность работы двигателей, соответственно, повышаются такие характеристики как давление наддува, степень сжатия и рабочие температуры. Повышение уровня указанных характеристик приводит к потребности в материалах, которые будут сопротивляться деформации (ползучести) при более высоких рабочих температурах и давлениях в камере сгорания и выхлопной системе, чем в настоящее время достижимы традиционными низколегированными титановыми сплавами. Ползучесть, представляющая собой склонность твердого материала к медленному смещению или остаточной деформации под воздействием нагрузок, возникает, когда металл подвергается постоянной растягивающей нагрузке при повышенной температуре. Высокое сопротивление ползучести позволяет эксплуатировать материал длительное время без искажения формы и размеров, при этом важно сохранение уровня первоначальных свойств материала.
Следовательно, востребованными являются материалы, обладающие, кроме их низкой цены, как можно большим сочетанием высоких значений механических и эксплуатационных свойств.
Известен плоский прокат и компоненты выхлопной системы, изготовленные из стойкого к окислению высокопрочного титанового сплава, который состоит из, масс. %: от 0,06 до 0,5 железа, от 0,02 до 0,12 кислорода, от 0,15 до 0,46 кремния и остальное - титан и случайные примеси. При этом титановый сплав имеет средний размер зерна 15,9 мкм или менее. (Патент США №US8349096, публ. 08.01.2013, МПК С22С 14/00).
Прокат имеет высокие пластические свойства, однако обладает пониженной стойкостью к высокотемпературному окислению.
Известен материал для выхлопной системы, изготовленный из низколегированного титанового сплава, обладающего превосходной стойкостью к высокотемпературному окислению и коррозии и содержащего, масс. %, Al: 0,30-1,50%, Si: 0,10-1,0% и дополнительно содержащий Nb: 0,1-0,5 (Патент США №7166367, публ. 23.01.2007, МПК В32В 15/01; С22С 14/00, F01N 7/16) - прототип.
Материал из указанного сплава обладает высокими прочностными и пластическими свойствами при комнатной и повышенной температуре, однако имеет недостаточный уровень сопротивления высокотемпературной ползучести.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание листового материала с глобулярной микроструктурой из низколегированного титанового сплава с возможностью изготовления из него широкой номенклатуры изделий, в том числе используемых в компонентах двигателей и выхлопных системах транспортных средств.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении изобретения, является получение листового материала из титанового сплава, обладающего комплексом высоких механических и эксплуатационных свойств, включая повышенный уровень сопротивления ползучести, стойкостью к окислению, а также стабильностью структуры при длительных эксплуатационных выдержках в диапазоне температур до 800°С и с возможностью формовки в холодном состоянии.
Технический результат достигается тем, что в листовом материале из титанового титана для изготовления компонентов, длительно работающих при высоких температурах, согласно изобретению титановый сплав содержит компоненты в следующих соотношениях, масс. %:
Алюминий
1,5-3,0,
Молибден
0,1-0,5,
Кремний
0,1-0,6,
Железо
не более 0,2,
Кислород
не более 0,15,
Углерод
не более 0,1,
Азот
не более 0,03,
Водород
не более 0,015,
Ti
остальное.
При этом в сплаве соотношение Мо, масс. %, к Si, масс. %, составляет 0,4-3. Листовой материал содержит в структуре не менее 90 об. % α-фазы. Суммарное содержание β-фазы и интерметаллидных частиц силицидов титана составляет 0,5 - 5 об. %. Средний размер зерен α-фазы составляет от 5 до 100 мкм. Кроме того листовой материал выполнен в виде листового проката толщиной до 6 мм. Также технический результат достигается тем, что предложен компонент выхлопной системы транспортного средства, длительно работающий при высоких температурах и изготовленный из листового материала из титанового сплава.
В состав материала из титанового сплава введены легирующие элементы из различных групп стабилизаторов: альфа-стабилизаторы: алюминий, кислород, углерод, азот; бета-стабилизаторы: молибден, кремний.
Алюминий повышает жаропрочность и сопротивление ползучести, уменьшая образование окалины при высокой температуре. Содержание алюминия в сплаве принято от 1,5-3,0 масс. %. Для сохранения оптимальной технологической пластичности максимальное содержание алюминия в сплаве ограничено 3,0 масс. %.
Содержание кислорода, азота и углерода в указанных пределах, наряду с повышением прочности, повышает температуру аллотропического превращения титана и обеспечивает сохранение высокого уровня прочности и пластичности. Более высокие концентрации кислорода, углерода и азота понижают технологическую пластичность и ударную вязкость сплава.
Группа бета-стабилизаторов (Mo, Si).
Легирование сплава молибденом в количестве 0,1-0,5 масс. %. способствует повышению прочности за счет твердорастворного упрочения и появления в структуре прослоек β-фазы, которые являются межфазными границами и тормозят движение дислокаций при деформации, а также препятствуют собирательному росту α-зерен при высоких температурах при термообработке и эксплуатации. Содержание молибдена более 0,5 масс. %. снижает жаропрочность, поскольку уменьшается температура полиморфного превращения сплава и увеличивается доля β-фазы в структуре.
x
y
Наличие в сплаве кремния, который присутствует в твердом растворе титана, повышает сопротивление ползучести. Содержание кремния в сплаве установлено в диапазоне от 0,1 до 0,6 масс. %. В указанном диапазоне кремний образует с титаном интерметаллидное соединение - силицид сложного стехиометрического состава (TiSi). Образование в сплаве необходимого количества силицидов повышает жаропрочность, сопротивление ползучести и препятствует росту α-зерен при высоких температурах. Кроме того, кремний существенно повышает стойкость к окислению сплава до концентрации 0,8 масс %. При большей концентрации снижается технологическая пластичность/формуемость из-за образования крупнозернистых силицидов. Отсутствие в сплаве таких элементов, как Zr и Sn, понижающих температуру эвтектоидного превращения образования силицидов, позволяет максимально увеличить содержание Si в твердом растворе, обеспечивая максимальное увеличение жаропрочности.
Максимальное содержание водорода в сплаве, ограниченное 0,015 масс. %, позволяет избежать охрупчивания сплава по причине возможного образования гидридов титана.
Содержание железа в сплаве ограничено 0,2 масс. %, т.к. большее содержание негативно сказывается на сопротивлении ползучести и кратковременной жаропрочности.
Основным фактором стабильности структуры при длительных эксплуатационных выдержках при повышенных температурах является наличие частиц, сдерживающих рост зерна. Ими выступают как частицы β-фазы в сплаве, так и частицы силицидов. Очень важным при этом является наличие обоих типов частиц в сплаве, что достигается близким содержанием Мо и Si. Предпочтительное соотношение β-изоморфного молибдена и β-эвтектоидного кремния Mo/Si в весовых процентах находится в диапазоне от 0,4 до 3. Такое соотношение позволяет обеспечить повышенную стойкость к окислению, повышенное сопротивление ползучести и стабильность структуры при длительных эксплуатационных выдержках
Композиция элементов, введенных в состав сплава в заявляемом соотношении и характеризующихся в отдельности благоприятным влиянием на стойкость к окислению титана, позволяет достичь аддитивного эффекта в части получения высоких значений сопротивления ползучести сплава при обеспечении прочностных, пластических свойств в сочетании со стойкостью к окислению по отношению к известным низколегированным титановым сплавам.
Дополнительное повышение свойств материала достигается регламентированием структуры, влияющей на свойства формовки в холодном состоянии. Глобулярная структура зерен α-фазы имеет более высокие значения пластичности и формуемости, чем игольчатая структура. По этой причине для улучшения формуемости листового материала предпочтительна однородная глобулярная микроструктура со средним размером зерен α-фазы от 5 до 100 мкм. Получение микроструктуры со средним размером зерна α-фазы менее 5 мкм требует большого количества технологических операций и соответственно, высоких затрат, в микроструктуре со средним размером зерен α-фазы более 100 мкм границы крупных зерен становятся исходными точками разрушений при изломе. Измерение среднего диаметра зерен α-фазы в структуре титановой заготовки осуществляется в соответствии с методикой международного стандарта ASTM Е112. Доля частиц β-фазы и силицидов измеряется с использованием растрового электронно-зондового микроскопа (РЭМ) в режиме обратнорассеянных электронов и обработкой полученных изображений с помощью программного обеспечения для количественного анализа микроструктуры по контрасту элементов.
Для стабильности α-зеренной структуры в процессе эксплуатации предпочтительное содержание α-фазы в материале составляет не менее 95 об. %. Суммарное содержание в материале β-фазы и интерметаллидных частиц силицидов титана в интервале 0,5-5 об. % способствует повышению сопротивления высокотемпературной ползучести.
Промышленная применимость изобретения подтверждается примером его конкретного выполнения.
Для исследования свойств предлагаемого материала был выплавлен слиток массой 2100 кг по промышленной технологии методом вакуумно-дугового переплава. Химический состав сплава представлен в табл. 1.
Слиток подвергали деформированию ковкой и последующей прокатке с получением рулона толщиной 0,9 мм, завершающие этапы прокатки выполнены ниже температуры полиморфного превращения, равной 945°С, что необходимо для формирования глобулярной структуры α-зерен. Для исследования механических свойств сплава осуществляли вырезку образцов в состоянии поставки. Для анализа механических свойств проводили испытания на растяжение при температурах 20°С, 500°С, 700°С, для оценки критерия штампуемости материала проводили испытания на глубокую вытяжку по Эриксену. Значения механических свойств материала при растяжении в состоянии поставки (отожженное состояние) приведены в табл. 2 и сравнительном графике, представленном на фиг. 1.
2
Для моделирования работы материала при эксплуатации в изделии проводили изотермический отжиг образцов в статическом лабораторном воздухе при температурах 560°С, 625°C с продолжительностью выдержки 1000 часов, а также при 800°C с продолжительностью выдержки 200 часов. После чего осуществляли исследование стойкости к окислению посредством расчета привеса массы образцов, выраженного в мг/см. Результаты исследований стойкости к окислению в сравнении со сплавом-прототипом приведены на графиках зависимости привеса сплавов от квадратного корня из времени окисления при температурах 560°С, 625°С и 800°С, представленных, соответственно, на фиг. 2, 3, 4.
Кроме того, на образцах в состоянии поставки определяли сопротивление ползучести при температуре 500°С и длительности 100 часов, выраженное в зависимости относительной деформации образца при напряжении 30МПа. Результаты сопротивления ползучести заявляемого материала в сравнении с прототипом приведены на графике, представленном на фиг. 5.
В структуре материала заготовки средний размер зерен α-фазы в продольном сечении, определенный соответствии с международным стандартом ASTM Е112, составляет 15 мкм. Доля α-фазы составила 98 об. %, а доля β-фазы и частиц силицидов титана составила 2 об. %. Долю β-фазы и частиц силицидов титана измеряли с использованием растрового электронно-зондового микроскопа (РЭМ) в режиме обратнорассеянных электронов и расчетом доли фаз в программе анализа изображений.
Зеренная структура материала с частицами силицидов титана и прослойками β-фазы после отжига при 625°С длительностью 1000 часов в сравнении с исходной не изменяется (фиг. 6), что свидетельствует о стабильности структуры.
Анализ результатов испытаний и данных исследований показал, что предлагаемый листовой материал из титанового сплава обладает комплексом высоких механических и эксплуатационных свойств, включая сопротивление высокотемпературной ползучести по отношению к известным низколегированным сплавам. Результаты оценки сопротивления окислению образцов после длительного изотермического отжига демонстрируют долговечность материала.