[1]Изобретение относится области цветной металлургии, а именно к созданию титановых сплавов, предназначенных для использования в качестве высокопрочного конструкционного термически упрочняемого материала. Из сплава могут быть изготовлены деформированные полуфабрикаты широкой номенклатуры (листы, лента, фольга, плиты, прутки, штамповки и др.), которые могут быть использованы в силовых конструкциях авиационной и космической техники, энергетических установок и ракет, длительно работающих при температурах до 350°C.
[2]Из уровня техники известно, что легирование редкими металлами (РМ) и редкоземельными металлами (РЗМ) зачастую используется для повышения прочностных свойств сплавов посредством преимущественно дисперсионного упрочнения (доля твердорастворного упрочнения в ряде примеров относительно невелика).
[3]Так, известен метод формирования направленной текстуры в титановом сплаве, легированном редкими металлами и РЗМ, в количестве до 3 мас.%. Введение РЗМ например эрбия или иттрия в указанном количестве позволяет получить в структуре сплава не менее 0,5 об.% стабильных и стойких при температурах выше Тпп дисперсных частиц, что и вызывает повышение его прочностных и жаропрочных свойств (US 5074907, C22C 14/00, опубл. 24.12.1991).
[4]К недостаткам данного способа относится то, что для изготовления полуфабрикатов требуется применение методов порошковой металлургии, а направленная текстура характеризуется выраженной анизотропией свойств. Использование металлических порошков, полученных методом газовой атомизации, и операция их последующего спекания существенно повышают стоимость изделий. Известно, что деформированные полуфабрикаты, обладающие выраженной текстурой и анизотропией свойств, обладают значительно более низкими значениями пластических свойств в поперечном направлении, что снижает гарантированный уровень эксплуатационных свойств изделия.
[5]Известен сплав (GB 1479855, С22С 14/00, опубл. 13.07.1977) на основе титана, имеющий следующий химический состав, мас.%:
[6]| алюминий | 1,0-6,0 |
| ванадий | 0,1-10,0 |
| молибден | 5,0-10,0 |
| хром | 4,0-12,0 |
| железо | 0,1-4,0 |
| никель | 0,3-4,0 |
| кислород | <0,2 |
| азот | <0,1 |
| водород | <0,03 |
| углерод | <0,05 |
| титан | остальное |
[7]Недостаток сплава заключается в его низкой технологической пластичности, затрудняющей его обработку и изготовление полуфабрикатов.
[8]Известен сплав (JP 2004068146, C22C 14/00, опубл. 04.03.2004) на основе титана, имеющий следующий химический состав, мас.%:
[9]| алюминий | 2,5-5,0 |
| ванадий | 15-25 |
| олово | 0,5-4,0 |
| кислород | <0,2 |
| титан и примеси | остальное |
[10]Недостаток известного сплава заключается в длительности упрочняющей термической обработки, недостаточном уровне эксплуатационных свойств, обусловленным преимущественным легированием изоморфными β-стабилизаторами.
[11]Наиболее близким аналогом заявленного технического решения является сплав на основе титана (SU 1621543, C22C 14/00, опубл. 15.08.1994), имеющий следующий химический состав, мас.%:
[12]| алюминий | 2,0-4,0 |
| ванадий | 14,0-20,0 |
| хром | 2,0-5,0 |
| олово | 2,0-4,0 |
| молибден | 0,5-3,0 |
| цирконий | 0,3-2,0 |
| ниобий | 0,01-0,40 |
| титан | остальное |
[13]Недостатком известного сплава является недостаточный уровень пластичности в термически упрочненном состоянии и циклической прочности.
[14]Технической задачей предлагаемого изобретения является создание титанового сплава, предназначенного для изготовления полуфабрикатов широкого сортамента (листы, плиты, прутки, поковки, штамповки), обладающего повышенным уровнем эксплуатационных свойств.
[15]Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении значений пластичности, термической стабильности и предела ползучести в термически упрочненном состоянии при сохранении значений вязкости разрушения.
[16]Поставленный технический результат достигается с помощью сплава на основе титана, содержащего алюминий, молибден, ванадий, хром, цирконий, олово, ниобий и иттрий, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
[17]| алюминий | 1,5-4,5 |
| ванадий | 13,5-19,0 |
| хром | 2,0-5,0 |
| олово | 2,0-4,0 |
| молибден | 0,5-2,5 |
| цирконий | 0,5-2,5 |
| ниобий | 0,01-0,40 |
| иттрий | 0,005-0,150 |
| титан и примеси | остальное |
[18]Сплав дополнительно может содержать кислород в количестве от 0,04 до 0,16 мас.%.
[19]Суммарное содержание олова и циркония должно находиться в пределах от 2,6 до 6,1 мас.%.
[20]Взаимное соотношение алюминия и кислорода может составлять от 40/1 до 20/1 в мас. долях.
[21]Изобретение также относится к изделию из заявленного сплава на основе титана.
[22]Авторами было установлено, что регламентированное содержание кислорода и алюминия обеспечивает повышение предела ползучести. Цирконий образует непрерывный ряд твердых растворов с обеими модификациями титана (α и β), и с увеличением содержания циркония в сплаве возрастает предел прочности, также его добавка существенно повышает длительную прочность и сопротивление ползучести сплава. Кроме того, цирконий в небольших количествах оказывает модифицирующее влияние на структуру сплава, изменяя характер внутризеренной структуры и уменьшая размер зерна. Легирование титана оловом и цирконием при соблюдении установленного взаимного соотношения указанных элементов значительно повышает комплекс механических свойств при комнатной и повышенных температурах (например, жаропрочность и предел ползучести). Также легирование сплава оловом в указанной концентрации позволяет повысить пластичность и ускорить процессы распада β-твердого раствора при старении, что приводит к сокращению трудоемкости и энергозатрат при проведении его термической обработки. Введение в сплав ниобия обеспечивает повышение уровня пластичности и вязкости разрушения. Введение редкоземельного металла иттрия в указанном количестве позволяет реализовать эффект модифицирования и рафинирования микрообъемов сплава, обеспечить более равномерный и однородный распад β-фазы при старении, обусловленный снижением критического размера зародыша частиц α-фазы. Иттрий дополнительно улучшает структурную стабильность границ зерен, повышая тем самым термическую стабильность и предел ползучести сплава.
[23]Легирование титановых сплавов молибденом и ванадием обеспечивает возможность достижения высокого уровня прочностных характеристик и эффективности упрочняющей термической обработки. Совместное легирование сплава данными элементами в указанном количестве способствует за счет умеренного твердорастворного упрочнения получению высокой пластичности при умеренно высоких значениях прочностных свойств.
[24]Выбранное содержание хрома обусловлено тем, что этот элемент хорошо упрочняет титановые сплавы и является сильным β-стабилизатором. Но при легировании сплава хромом больше установленных в данном изобретении максимальных пределов могут при длительных изотермических выдержках образовываться охрупчивающие интерметаллиды (TiCr2), а при выплавке слитков велика вероятность образования химических неоднородностей.
[25]Оптимальное сочетание α- и β-стабилизаторов (алюминия, молибдена, ванадия, хрома и ниобия) позволяет проводить упрочняющую ступенчатую термическую обработку в вакуумных и аргоновакуумных печах, повысить характеристики пластичности и термической стабильности в термически упрочненном состоянии.
[26]Примеры осуществления
[27]Пример 1. Предлагаемый сплав (в соответствии с таблицей №1) в виде слитков выплавляли методом тройного вакуумно-дугового переплава. Затем слитки подвергали деформационной обработке путем всесторонней ковки в обычных или квази-изотермических условиях на сутунки (40-45)×180-220×L мм. Полученные сутунки были подготовлены под прокатку путем строгания по всем поверхностям «как чисто». Прокатка полученных сутунок проводилась последовательно в несколько этапов: горячая прокатка на промежуточный листовой полуфабрикат, далее теплая и холодная прокатки. Промежуточные листовые полуфабрикаты между операциями прокатки подвергались закалке на β-фазу, пескоструйной обработке и травлению. Готовые листы подвергались упрочняющей термической обработке. Прочностные свойства определялись путем проведения испытаний на растяжение при комнатной температуре.
[28]Примеры 2-4 аналогичны примеру 1.
[29]В таблице 1 приведено содержание легирующих элементов выплавленных слитков, механические свойства предлагаемого сплава и сплава-прототипа (таблица 2).
[30]В заявленном сплаве в термически упрочненном состоянии значения пластичности (удлинения) повысились на 15-20%, предела ползучести - повысились на 7-10,5% при сохранении значений вязкости разрушения. Термическая стабильность после выдержки при 400°C в течение 500 ч превышает аналогичные характеристики сплава-прототипа.
[31]Использование предлагаемого сплава на основе титана позволяет изготавливать различные конструктивные элементы силовых конструкций авиационной и космической техники, работающих при температурах до 350°C, что позволить повысить уровень эксплуатационных свойств и надежность по сравнению с традиционно применяемыми титановыми сплавами.
[32]
[33]
