СПЛАВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА
TITANIUM-BASED ALLOY

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к созданию сплавов на основе титана, обладающих повышенным пределом ползучести при температуре 500°С и заданной деформации 0,2%.
Сплав предназначен для использования в паротурбинных установках и высоконагруженных сварных конструкциях, эксплуатируемых при повышенной температуре.
Известны сплавы на основе титана, применяемые при температуре до 450°С: сплав марки ВТ5-1 (ГОСТ 18907-91. Титан и сплавы титановые деформируемые. Марки. 1991).
Недостатком этих сплавов является низкий предел ползучести при температуре 500°С.
Известны сплавы на основе титана, применяемые при температурах до 500°С: сплав марки ВТ18У, сплав марки Ti-6242S (Б.А. Колачев, И.С. Полькин, В.Д. Талалаев. Титановые сплавы разных стран. - М.: ВИЛС, 2000 г.).
Недостатками этих сплавов являются: для сплава ВТ18У - низкие показатели пластичности и предела ползучести (352 МПа); для сплава Ti-6242S - низкие значения показателей пластичности для некоторых видов полуфабрикатов и ограниченная свариваемость.
Наиболее близким по содержанию ингредиентов является сплав на основе титана, содержащий: алюминий 4,3-6,3; молибден 1,5-2,5; углерод 0,05-0,14; цирконий 0,2-1,0; кислород 0,06-0,14; кремний 0,02-0,12; железо 0,05-0,25; ниобий 0,3-1,20; рутений 0,05-0,14; титан - остальное (патент RU №2506336 C1, С22С 14/00, опубл. 10.02.2014 г.).
Известный сплав обладает хорошим комплексом механических свойств, повышенной коррозионной стойкостью, предназначен для использования в сварных конструкциях. Однако при температуре 500°С и заданной остаточной деформации 0,2% предел ползучести его не превышает 285 МПа.
Техническим результатом заявляемого изобретения является создание сплава, обладающего более высоким пределом ползучести при температуре 500°С и заданной остаточной деформации 0,2% при сохранении высоких механических характеристик и коррозионной стойкости сварных конструкций.
Технический результат достигается за счет того, что сплав на основе титана, содержащий алюминий, молибден, углерод, цирконий, кислород, кремний, железо, ниобий и титан, в соответствии с изобретением дополнительно содержит гафний при следующем соотношении компонентов, мас %:
Алюминий
4,3-6,3
Молибден
1,5-2,5
Углерод
0,05-0,14
Цирконий
0,20-1,00
Кислород
0,06-0,14
Кремний
0,02-0,12
Железо
0,05-0,25
Ниобий
0,03-1,20
Гафний
0,01-0,50
Титан
остальное
2
Гафний в заявляемом сплаве введен в пределах от 0,01 до 0,5% для повышения предела ползучести. Гафний более тугоплавкий металл, чем титан, имеет более высокий уровень межатомных связей, что снижает диффузионную подвижность атомов при высоких температурах и повышает предел ползучести. Гафний в заданных пределах, действуя как нейтральный упрочнитель, обеспечивает стабильность фазового состава сплава, за счет чего повышается сопротивление ползучести. При содержании гафния менее 0,01% отсутствует эффект снижения диффузионной подвижности атомов, предел ползучести не повышается; при содержании гафния более 0,5% происходит образование хрупкой α-фазы.
Изоморфный β-стабилизатор - ниобий, в заданных пределах 0,03-1,2% повышает структурную однородность сплава, входит в состав сплава как технологическая добавка, обеспечивающая введение в состав сплава необходимого количества углерода и равномерное распределение его в структуре сплава без образования карбидов, за счет чего повышается сопротивление ползучести. При содержании ниобия ниже 0,03% не достигается эффект равномерного распределения углерода в структуре сплава и повышения сопротивления ползучести. Применение содержания ниобия более 1,2% как технологической добавки неэффективно.
Содержание алюминия в заявляемых пределах 4,3-6,3% повышает прочность, жаропрочность и предел ползучести (сопротивление ползучести), обеспечивает хорошие деформационные характеристики при производстве полуфабрикатов, в том числе сварных конструкций. Повышение алюминия сверх пределов, заявленных в сплаве, приведет к выделению хрупкой фазы в α-твердом растворе, что снизит предел ползучести за счет обеднения α-твердого раствора алюминием.
Содержание молибдена в заявляемых пределах 1,5-2,5% обеспечивает заданный предел ползучести и жаропрочность сплава. При повышении содержания молибдена сверх заявленных пределов более 2,5% в структуре сплава увеличивается содержание β-фазы, что приведет к снижению предела ползучести.
Нейтральный β-стабилизатор -цирконий в заявленных пределах 0,2-1,0% в сочетании с алюминием повышает прочность и предел ползучести за счет интенсификации процессов упорядочивания в α-твердом растворе. Цирконий при содержании более 1,0% снижает ударную вязкость и увеличивает склонность к коррозионному растрескиванию сварных конструкций.
Кремний и железо являются эвтектоидными β-стабилизаторами титана. В сплавы титана с алюминием их вводят в количествах, близких к их максимальной растворимости, при сохранении достаточной технологичности и свариваемости. Содержание кремния ограничено пределами 0,02-0,12%, так как при большем содержании кремний образует силициды, приводящие к снижению предела ползучести и образованию трещин в сварных конструкциях.
Выполнение заявленного соотношения элементов исключает образование сегрегаций по границам зерен и обеспечивает получение однородного регламентированного структурного состояния, что повышает сопротивление ползучести и жаропрочность сплава при сохранении сварочных свойств.
В заявляемом изобретении легирующие и примесные элементы (кислород, кремний, железо) находятся в таком соотношении, чтобы обеспечить повышенное сопротивление ползучести при температуре 500°С.
Пример выполнения.
Выплавляли слитки с химическим составом из предлагаемого сплава и сплава-прототипа. Слитки ковали на заготовки, из которых затем изготавливали образцы для проведения испытаний на ползучесть по ГОСТ 3242-81.
Сущность метода испытания на ползучесть состоит в том, что образец подвергается воздействию постоянной растягивающей нагрузки при заданной температуре при фиксировании деформации образца во времени. В результате испытания определяют предел ползучести материала, т.е. напряжение, при котором деформация за определенный промежуток времени не превышает заданной величины.
Испытывали цилиндрические образцы диаметром 6 мм, расчетной длиной 70 мм. Химический состав и результаты испытаний предлагаемого сплава и сплава-прототипа приведены в таблице 1.