ЛИГАТУРА ДЛЯ ВЫПЛАВКИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
LIGATURE FOR MELTING TITANIUM ALLOYS

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к составам лигатур, предназначенных для легирования сплавов на основе титана.
Титановые сплавы нашли широкое применение в строительстве различной техники благодаря высокой коррозийной стойкости, механической прочности, жаропрочности, малому удельному весу и множеству других характеристик. На сегодняшний день существуют различные методы получения слитков из титановых сплавов. Однако длительное время основным промышленным методом производства слитков из титановых сплавов является вакуумный дуговой переплав (ВДП), и до сих пор главным образом этот процесс утвержден разработчиками материалов и производителями техники. Легирование титана в процессе выплавки слитков методом вакуумного дугового переплава представляет собой достаточно сложную техническую проблему, поскольку при производстве легированных титановых сплавов в их состав вводят элементы, значительно отличающиеся от основного металла по ряду физических свойств, таких как температура плавления, плотность, растворимость в титане и т.п. Использование в шихте чистых металлов может приводить к появлению включений в самих полуфабрикатах. Поэтому для легирования, как правило, применяют лигатуры, содержащие несколько компонентов, которые входят в качестве легирующих элементов в состав выплавляемого сплава. При этом для получения качественного слитка лигатуры должны соответствовать общим требованиям, предъявляемым к шихтовым материалам, которые используются для вакуумной дуговой плавки титана: близкой к титану плотностью и температурой плавления, высокой растворимостью в титане, а также обладать хрупкостью и низкой механической прочностью для улучшения процесса дробления. Наиболее широко в настоящее время применяют лигатуры, полученные методом алюминотермического восстановления металлов из окислов. Производство данных лигатур, используемых для изготовления титановых сплавов в промышленных масштабах, экономически оправдано только этим способом.
Известна лигатура для производства титановых сплавов, содержащая, масс. %)
Ванадий
70-95
Алюминий
4,5-25
Железо
0,5-10
(а.с. СССР №429125, опубл. 25.05.1974).
Известная лигатура упрощает введение железа в титановый сплав, однако в составе лигатуры отсутствует углерод, добавки которого используют для повышения прочности титановых сплавов. При этом введение углерода в чистом виде невозможно из-за значительной разности физико-химических свойств титана и углерода, исключающей равномерное распределение углерода в титановом слитке.
Известна лигатура следующего химического состава, масс. %:
Ванадий
60-70
Углерод
1-4
Алюминий
остальное
(а.с. СССР №515821, опубл. 30.05.1976).
Кинетические и термодинамические особенности взаимодействия чистого углерода с расплавом в условиях алюминотермической плавки накладывают ограничения на предельное насыщение лигатуры углеродом. Это связано с выгоранием части углерода и неоднородностью его распределения в лигатуре. В данном случае усвоение углерода в известной лигатуре осуществляется за счет повышенного содержания ванадия. Установлено, что для получения в лигатуре требуемого содержания углерода необходимо отношение ванадия к углероду не менее 20. Однако повышенное содержание ванадия препятствует широкому использованию лигатуры, которая может применяться только для ограниченного числа титановых сплавов. Соответственно, снижение содержания ванадия способствует универсальности лигатуры.
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является лигатура, содержащая, масс. %:
ванадий
40-50
титан
5-20
углерод
3-5,
алюминий
остальное
(патент РФ №2547376, опубл. 10.04.2015).
В состав прототипа введен титан, легко образующий с углеродом карбиды. Введение титана в качестве карбидообразующей добавки позволило изменить соотношение между ванадием и углеродом в лигатуре, что дало возможность уменьшить содержание ванадия и повысить содержание углерода. Однако наличие прочных карбидных и оксикарбидных соединений титана, препятствующих равномерному распределению углерода в лигатуре и титановом слитке, повышает механическую прочность лигатуры и увеличивает содержание кислорода в лигатуре и, соответственно, в слитке. Кроме того, отсутствие железа в составе прототипа приводит к необходимости его дополнительного введения в титановые сплавы в чистом виде или железосодержащей лигатуры, что значительно усложняет технологический процесс получения слитка.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка состава лигатуры, позволяющей улучшить качество слитков из титановых сплавов и уменьшить затраты на их изготовление.
Техническими результатами, достигаемыми при осуществлении изобретения, являются снижение содержания кислорода в лигатуре, что позволяет увеличить процент вовлечения отходов при выплавке титановых слитков, а также пониженная механическая прочность лигатуры, способствующая улучшению процессов ее дробления и очистки от шлака. Кроме того, заявляемая лигатура имеет более близкие к титану плотность и температуру плавления, что положительно влияет на однородность выплавляемых титановых слитков.
Указанный технический результат достигается тем, что лигатура для выплавки титановых сплавов, содержащая ванадий, алюминий, углерод и неизбежные примеси, согласно изобретению дополнительно содержит железо при следующем соотношении компонентов, масс. %:
Ванадий
45-60
Железо
6-10
Углерод
2,5-3,5
Алюминий и неизбежные примеси
остальное
Сущность изобретения основана на применении карбидообразующей добавки, уменьшающей соотношение ванадия и углерода. В качестве карбидообразующей добавки, в отличие от использующегося в прототипе титана, введено железо в количестве 6-10 масс. %. Железо, являясь активным растворителем восстанавливаемых металлов, в отличие от трудновосстановимого оксида титана, оказывает значительное влияние на сдвиг равновесия реакции восстановления. Растворяя восстановленные элементы, железо понижает их активность, что в соответствии с константой равновесия реакции приводит к смещению равновесия в сторону восстановления. При этом железо выводит восстановленные элементы из зоны реакции, тем самым препятствует протеканию окислению и испарению элементов. Таким образом, железо не образует оксикарбидных фаз в ходе алюмотермической плавки, что приводит к снижению в лигатуре содержания кислорода. Кроме того, железо понижает температуру плавления металлического расплава, что позволяет вести плавку при более низкой температуре. Углерод в состав лигатуры вводится в концентрационном диапазоне 2,5-3,5 масс. %. Данная концентрация углерода необходима для осуществления легирования большинства титановых сплавов, содержащих углерод в заданных количествах. Соотношение ванадия и алюминия в лигатуре обеспечивает требуемый уровень данных элементов в титановых сплавах.
Промышленную применимость изобретения подтверждает пример его конкретного выполнения.
Предложенная лигатура была изготовлена методом внепечной алюминотермической плавки. Для получения предлагаемой лигатуры была приготовлена шихта, содержащая окислы ванадия, порошок алюминия, порошок железа, тигельный графит, оксид кальция, фторид кальция. В результате из данной шихты была выплавлена партия лигатуры в количестве 230 кг. Полученная лигатура была подвергнута определению химического состава и физических характеристик. Результаты определения химического состава предлагаемой лигатуры приведены в табл. 1, содержание кислорода и показатели физических характеристик в сравнении с прототипом представлены в табл. 2.
Затем полученную лигатуру использовали для выплавки промышленных слитков диаметром 870 мм и массой 4000 кг из титанового сплава Ti-6Al-4V, дополнительно легированного железом и углеродом для повышения прочности. Благодаря более низкой концентрации кислорода в предлагаемой лигатуре по сравнению с прототипом в шихту титанового слитка вовлекли на 12% больше вторичных шихтовых материалов. С целью оценки распределения химических элементов в промышленных слитках были проанализированы пробы от четырех сечений по высоте слитка. По результатам анализов разброс содержания углерода не превысил 0,004% (абс.) во всем объеме слитка при целевом содержании его 0,02%, а разброс содержаний железа в объеме слитка не превысил 0,04% (абс.) при его целевом содержании 0,2%, что характеризует высокую химическую однородность слитков. Из слитка изготовили прутки диаметром 152 мм. Качество полученных слитков и прутков в полной мере соответствовало нормативно-технической документации.
Таким образом, использование предлагаемой лигатуры способствует повышению качества слитков из титановых сплавов и снижению затрат на их изготовление.