СПЛАВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА
ALLOY ON BASE OF TITANIUM

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к металлургии сплавов на основе титана для крупногабаритных сварных конструкций с сечением более 300 мм, обладающих повышенной коррозионно-механической прочностью и эксплуатационной безопасностью для морской техники.
Известен сплав на основе титана для морской техники:
- сплав, содержащий, мас.%: алюминий 6,0-7,0; ниобий 2,0; тантал 1,0; молибден 0,8, содержание примесей минимально [1]. Сплав применяется для изготовления малогабаритных сварных конструкций морской техники.
Недостатком этого сплава является ограничение габаритов изготовляемых конструкций и высокая стоимость из-за содержания дорогостоящих легирующих элементов ниобия и тантала.
Также известны сплавы, близкие по составу ингредиентов: патенты РФ 2082803, С22С 14/00 от 27.06.97г. и 2086694, С22С 14/00 от 27.02.98 г.
Недостатками этих сплавов являются ограничение толщины свариваемых сечений (не более 20 мм) и коррозионное разрушение сварных соединений из-за повышенного содержания кислорода, азота, водорода
Предложен [2] в качестве прототипа состав сплава на основе титана (DE 102006031469 A1, B23K 20/04, С22С 14/00, 10.01.2008) [3], содержащий, мас.%: алюминий 2,3-7,8, ванадий ≤6,9, молибден ≤5,8, углерод ≤0,09, водород ≤0,2, железо ≤3,5, кремний ≤0,8, кислород ≤0,3. Сплав по характеристике назначения относится к листовым полуфабрикатам из титанового сплава, плакированного алюминиевым сплавом для автомобильных двигателей внутреннего сгорания с рабочей температурой более 600°С.
Из альтернативных вариантов составов сплава в качестве прототипа выбран сплав, количественный и качественный состав которого соответствует составу заявляемого сплава.
QSCC
Недостатком этого сплава является ограничение толщины свариваемых сечений 1,0-8,0 мм. Сплав-прототип обладает низкой коррозионно-механической прочностью сварных соединений, оцениваемой малоцикловой долговечностью и коэффициентом интенсивности напряжений K (вязкостью разрушения) сварных соединений в морской воде по сравнению с основным металлом из-за повышенного содержания железа и водорода.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание сплава для крупногабаритных сварных конструкций с сечением более 300 мм, обладающего повышенной коррозионно-механической прочностью, чем известный сплав.
Технический результат достигается за счет того, что сплав, содержащий алюминий, ванадий, азот, углерод, водород, железо, кислород, кремний и титан, отличается тем, что он содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:
Алюминий
3,5÷5,0;
Ванадий
1,4÷2,5;
Азот
0,005÷0,04
Углерод
>0,1÷0,12;
Водород
0,003-0,008
Железо
0,05-0,25
Кислород
0,05÷0,14
Кремний
0,05÷0,08;
Титан
остальное,
Указанное в заявляемом сплаве содержание компонентов обеспечивает оптимальное сочетание прочности и ударной вязкости сварных соединений.
2
3
Кремний в указанных пределах препятствует выделению α-фазы по границам зерен, снижающей коррозионно-механическую прочность. При содержании кремния более 0,08% в структуре сплава образуются интерметаллиды типа Тi SI, которые снижают пластичность сварного шва, вызывая их разрушение
Углерод при содержании ≤0,12% находится в твердом растворе, а при содержании >0,12% он находится по границам зерен в виде округлых включений, которые снижают пластичность сплава и малоцикловую усталость сварных соединений в морской воде на 30 процентов.
Снижение содержания алюминия до 5,0% и ванадия до 2,5% по сравнению с известным сплавом предотвращает склонность сварных соединений титановых сплавов к коррозионному растрескиванию в морской воде и уменьшает степень внутрикристаллической ликвации при кристаллизации металла сварного шва, что обеспечивает получение равномерно однородной структуры металла сварного соединения с высокой пластичностью.
При содержании алюминия более 5% возможно образование обогащенных микросегрегатов, вызывающих неоднородность структуры и приводящих к снижению пластичности и коррозинно-механической прочности сварных соединений. При содержании алюминия менее 3,5% не обеспечиваются требования по прочности сплава.
При содержании ванадия более 2,5% наблюдается снижение ударной вязкости и пластических характеристик сварного соединения.
Содержание водорода в предлагаемом сплаве ограничено 0,008% по сравнению с известным сплавом для предотвращения развития водородной хрупкости разрушения сварных соединений.
QSCC
Коррозионно-механическую прочность характеризует также малоцикловая долговечность образцов с острым надрезом в морской воде. Эксплуатационную безопасность сварных соединений крупногабаритных конструкций в морской воде характеризует отношение коэффициента интенсивности напряжений K (вязкости разрушения) к пределу прочности при растяжении. Чем это отношение больше, тем безопаснее эксплуатация [4].
Образцы из предлагаемого и известного сплава были изготовлены из поковок с сечением 300 мм. Поковки сваривали ручным аргонодуговым методом по щелевому зазору.
QSCC
Для определения коэффициента интенсивности напряжений K изготавливали образцы размером 64×90×400 мм. Надрез выполняли по основному металлу и сварному шву. Испытания проводили по схеме трехточечного изгиба в среде, имитирующей морскую воду с составом 3,5% NaCl.
в
Коррозионно-механическую прочность оценивали также по результатам испытаний образцов на малоцикловую усталость. Испытания проводили на образцах с острым надрезом (r=0,1 мм) при растяжении в растворе, имитирующем морскую воду с составом 3,5% NaCl при напряжении, равном 0,8 σ.
QSCC
Состав предлагаемого и известного сплавов и результаты испытаний для определения коэффициента интенсивности напряжений K и малоцикловой долговечности приведены в таблицах 1 и 2.
Как видно из таблицы 2, результаты испытаний подтверждают, что предлагаемый состав сплава на основе титана превосходит известный по показателям, характеризующим коррозионно-механическую прочность: коэффициенту интенсивности напряжений и малоцикловой долговечности в морской воде.
css
в
Малоцикловая долговечность предлагаемого сплава в три раза выше малоцикловой долговечности известного сплава. Коэффициент безопасной эксплуатации K1/σ√м сварных соединений предлагаемого сплава почти в 4 раза выше известного.
Ожидаемый экономический эффект выразится в повышении безопасной эксплуатации крупногабаритных сварных конструкций морской техники примерно в 3 раза. Применение предлагаемого сплава в крупногабаритных сварных конструкциях снизит расход энергопотребления более 30% за счет исключения термической обработки и повышения эксплуатационной безопасности морской техники, а это приведет к сокращению количества ремонтов сварных конструкций и аварий на море.
Таблица 1
Химический состав предлагаемого и известного сплавов на основе титана
Сплав
№ состава
Al
V
N
С
Н<sub>2</sub>
Fe
O<sub>2</sub>
Si
Mo
Ti
Предлагаемый
1
3,5
1,4
0,005
0,10
0,003
0,05
0,05
0,05
-
ост.
2
4,0
2,0
0,008
0,08
0,006
0,15
0,10
0,07
-
ост.
3
5,0
2,5
0,04
0,12
0,008
0,25
0.14
0,08
-
ост.
Известный
6,5
4,0
0,02
0,08
0,015
0,5
0,20
0,3
3,0
ост.
Таблица 2
Коррозионно-механическая прочность и эксплуатационная безопасность сварных соединений предлагаемого и известного сплавов в морской воде
Сплав
Состав
σ<sub>В</sub>МПа
K<sub>QSCC</sub> МПа√м
K<sub>QSCC</sub>/σ<sub>В</sub>
Долговечность при σ<sub>ном</sub>=0,8σ<sub>0,2</sub>, циклы
о.м.
с.ш.
о.м.
с.ш.
о.м.
с.ш.
о.м.
с.ш.
Предлагаемый
1
658
655
150
148
0,228
0,225
2438
2400
2
695
690
145
146
0,208
0,211
2450
2450
3
775
716
147
142
0,190
0,198
2500
2520
Известный
1150
1050
40,7
25,0
0,003
0,02
120
50
Литература
1. Б.А.Колачев, И.С.Полькин, В.Д.Талалаев. Титановые сплавы разных стран. М.: ВИЛС, 2000 г., стр.266.
2. Роспатент, Форма №10 И.З., ПО-2010. 100 Запрос по з. №200913608/02.
3. Патент ФРГ №ОЕ 102006031469 Al, B23K 20/04, С22С 14/00, 10.01.2008. «Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einem Titan-Flachprodukt fur Hochtemperaturan-wendungen».
4. (Х.Бевело. Влияние структуры на усталостное разрушение деталей из титановых сплавов. 3-я Международная конференция по титану. МГУ, г.Москва.)