RU2117068C1

RU2117068C1 - Method for production of highly damping alloys

Info

Publication number: RU2117068C1
Application number: RU95112192A
Authority: RU
Inventors: Сергей Герасимович Федотов; Борис Андреевич Гончаренко; Владимир Евгеньевич Строганов; Олег Алексеевич Вытулев
Original assignee: Сергей Герасимович Федотов; Борис Андреевич Гончаренко; Владимир Евгеньевич Строганов; Олег Алексеевич Вытулев
Priority date: 1995-07-12
Filing date: 1995-07-12
Publication date: 1998-08-10
Also published as: WO1997003212A1; RU95112192A

Abstract

FIELD: metallurgy, in particular, titanium alloys possessing high damping properties and good plasticity in machining for their application as structural materials. SUBSTANCE: method includes the following operations: heating of titanium-base alloy containing 15.0-17.5 wt.% of niobium up to hardening temperature which exceeds the temperature of polymorphic conversion by 30-100 C and subsequent hardening. EFFECT: higher efficiency. 2 tbl

Description

Изобретение относится к области металлургии, конкретно, к сплавам титана, обладающих комплексом существенных физико-механических свойств, таких как высокая демпфирующая способность, высокая пластичность при механической обработке, достаточная для конструкционных материалов и др. The invention relates to the field of metallurgy, in particular, to titanium alloys having a complex of essential physical and mechanical properties, such as high damping ability, high ductility during machining, sufficient for structural materials, etc.

Демпфирующие сплавы известны. Это, например, чугуны, свинцовые бронзы, сплавы систем: Al-Zn, Al-Sn, Mg-Ni, Mg-Al, Zn-Mn, Cu-Mn, Cu-Al, Al-Cd, и множество других [1]. Damping alloys are known. These are, for example, cast irons, lead bronzes, alloys of systems: Al-Zn, Al-Sn, Mg-Ni, Mg-Al, Zn-Mn, Cu-Mn, Cu-Al, Al-Cd, and many others [1] .

Все эти сплавы, имея низкие, средние и даже высокие демпфирующие свойства, обладают рядом недостатков, препятствующих или даже исключающих их применение как конструкционных демпфирующих материалов. Одни из них, как, например, сплавы системы Fe-Cr, Cu-Mn имеют сравнительно большой удельный весь, другие, например, Al-Mg и подобные им - имеют низкую конструкционную прочность, третьи, например, сплавы на основе системы Ti-Ni, не могут быть использованы из-за их очень низкой технологичности как на стадии их получения, так и на стадии их механической обработки. All these alloys, having low, medium and even high damping properties, have a number of disadvantages that impede or even exclude their use as structural damping materials. Some of them, such as alloys of the Fe-Cr, Cu-Mn system, have a relatively large specific weight, others, for example, Al-Mg and the like, have low structural strength, and others, for example, alloys based on the Ti-Ni system cannot be used because of their very low manufacturability both at the stage of their preparation and at the stage of their machining.

Известно также, что некоторые сплавы не обладают изначально нужными свойствами, или обладают ими лишь частично. До полного выявления этих свойств сплавы должны быть подвергнуты специальной обработке, в частности термической. It is also known that some alloys do not initially have the desired properties, or possess them only partially. Until these properties are fully revealed, the alloys must be subjected to special treatment, in particular heat treatment.

Известен способ термической обработки сплавов системы Ti-Ni. Эти сплавы уже изначально обладают демпфирующими свойствами, однако эти свойства проявляются лишь на 60 - 65% от возможного. Для его полного проявления в расчетном диапазоне температур сплав необходимо подвергнуть термической обработке (низкотемпературный отжиг по режиму: 400 - 500^oC за время 30 - 60 мин) [2].A known method of heat treatment of alloys of the Ti-Ni system. These alloys already initially have damping properties, however, these properties are manifested only in 60 - 65% of the possible. For its full manifestation in the calculated temperature range, the alloy must be subjected to heat treatment (low-temperature annealing according to the regime: 400 - 500 ^o C for a time of 30 - 60 min) [2].

Наиболее близким способом к предложенному является способ получения демпфирующего многокомпонентного титанового сплава, включающий нагрев титанового сплава следующего состава в мас.% Ti -(5,5-6,75)Al-(1-5)V-(1-5)Mo до температуры ниже температур полиморфного превращения не более, чем на 125^oC и его закалку [3].The closest method to the proposed one is a method of producing a damping multicomponent titanium alloy, comprising heating a titanium alloy of the following composition in wt.% Ti - (5.5-6.75) Al- (1-5) V- (1-5) Mo to temperatures lower than the temperatures of polymorphic transformation no more than 125 ^o C and its hardening [3].

Предлагаемый способ термической обработки применяется к двухкомпонентному сплаву, что позволяет исключить использование многокомпонентных сплавов с демпфирующими свойствами, включающими в себя часто дефицитные материалы. The proposed method of heat treatment is applied to a two-component alloy, which eliminates the use of multicomponent alloys with damping properties, including often scarce materials.

Поставленная задача достигается путем проведения термической обработки сплава, содержащего 15 - 17,5% Nb остальное Ti, заключающейся в нагреве сплава на 30 - 100^oC выше температуры его полиморфного превращения (700 - 800^oC) и затем его резкого охлаждения (закалки) в холодную жидкую среду.The problem is achieved by heat treatment of the alloy containing 15 - 17.5% Nb the rest of Ti, which consists in heating the alloy 30 - 100 ^o C above the temperature of its polymorphic transformation (700 - 800 ^o C) and then abrupt cooling (quenching) into a cold liquid medium.

Сплав системы Ti-Nb представляет собой твердый раствор ниобия в титане и изначально не обладает демпфирующей способностью. Этому препятствует двухфазное строение сплава (α+β) , где в стабильном состоянии α - фаза занимает до 90% объема сплава, α - фаза представляет собой гексагональную плотноупокованную кристаллическую решетку (ГПУ-решетка), β - фаза титана представляет собой объемноцентрированную кубическую решетку (ОЦК-решетку). Такое строение сплава придает ему определенные свойства: высокое значение модуля нормальной упругости (Е=10500-11500 кг/мм²) и модуля сдвига (G=3300-3700 кг/мм²), а также максимальные значения прочностных характеристик.The alloy of the Ti-Nb system is a solid solution of niobium in titanium and does not initially have damping ability. This is prevented by the two-phase structure of the alloy (α + β), where in the stable state the α - phase occupies up to 90% of the alloy volume, the α - phase is a hexagonal close-packed crystal lattice (hcp lattice), β - the titanium phase is a body-centered cubic lattice ( Bcc lattice). This structure of the alloy gives it certain properties: a high value of the modulus of normal elasticity (E = 10500-11500 kg / mm ² ) and shear modulus (G = 3300-3700 kg / mm ² ), as well as maximum values of strength characteristics.

Как известно, независимо от природы источника энергетических потерь, демпфирующая способность материала характеризуется относительным рассеянием энергии

где
ΔW(a) - рассеянная энергия системы за цикл ее деформирования с амплитудой
W(a) - амплитудное значение потенциальной энергии системы.As is known, regardless of the nature of the source of energy losses, the damping ability of a material is characterized by relative energy dissipation

Where
ΔW (a) is the dissipated energy of the system per cycle of its deformation with amplitude
W (a) is the amplitude value of the potential energy of the system.

Указанное значение относительного рассеяния энергии за цикл колебаний называют демпфирующей способностью. Кроме того, демпфирующая способность может быть выражена как
ψ = 2δ = 2πQ^-1 ,
где
δ - декремент затухания колебаний.The indicated value of the relative energy dissipation per oscillation cycle is called damping ability. In addition, damping ability can be expressed as
ψ = 2δ = 2πQ ^-1 ,
Where
δ is the damping decrement.

Q^-1 - внутреннее трение в материале.Q ^-1 - internal friction in the material.

Таким образом, чем больше δ или Q^-1, тем выше демпфирующая способность материала. Наличие в сплаве Ti-Nb (в стабильном состоянии) до 90% α - фазы (ГПУ-кристаллическая решетка) и 10% β - фазы (ОЦК-кристаллическая решетка), лишает этот сплав демпфирующей способности. Однако, как показали исследования, 15 - 17,5% ниобия позволяет существенно изменить фазовое строение сплава и, следовательно, его свойства. Это осуществляется с помощью специальной термической обработки, заключающейся в нагреве сплава на 30 - 100^oC выше температуры его полиморфного превращения (780 - 800^oC) и затем его резкого охлаждения (закалки) в холодную жидкую среду. При этом (α+β) - фаза при нагреве полностью переходит в высокотемпературную β - фазу, которая в свою очередь при закалке, являясь нестабильной, превращается в метастабильную мартенситную фазу α″ титана. При этом она может занимать до 100% объема сплава, т. е. α″ - фаза титана образуется из высокотемпературной β - фазы, которая при температуре ниже температуры полиморфного превращения является метастабильной. Образовавшаяся α″ - фаза титана представляет собой искаженную ГПУ-кристаллическую решетку с параметром С=4,65-4,75

и степенью ромбического искажения R=C/A=1,009 - 1,025 (где A - параметр решетки ГПУ).Thus, the larger δ or Q ^-1 , the higher the damping ability of the material. The presence of up to 90% α-phase (hcp crystal lattice) and 10% β-phase (bcc crystal lattice) in the Ti-Nb alloy (in a stable state) deprives this alloy of damping ability. However, studies have shown that 15-17.5% of niobium can significantly change the phase structure of the alloy and, therefore, its properties. This is carried out using special heat treatment, which consists in heating the alloy 30 - 100 ^o C above the temperature of its polymorphic transformation (780 - 800 ^o C) and then abrupt cooling (quenching) into a cold liquid medium. In this case, the (α + β) phase during heating completely transforms into the high-temperature β phase, which, in turn, being quenched, being unstable, turns into the metastable martensitic phase of α ″ titanium. Moreover, it can occupy up to 100% of the alloy volume, i.e., the α ″ - titanium phase is formed from the high-temperature β - phase, which is metastable at a temperature below the polymorphic transformation temperature. The resulting α ″ - phase of titanium is a distorted hcp crystal lattice with the parameter C = 4.65-4.75

and the degree of rhombic distortion R = C / A = 1.009 - 1.025 (where A is the lattice parameter of the hcp).

В таблице 1 представлены данные, показывающие изменение параметров мартенситной α″ - фазы в зависимости от состава сплава при сохранении одинаковых условий закалки. Table 1 presents data showing a change in the parameters of the martensitic α ″ phase depending on the alloy composition while maintaining the same quenching conditions.

Основным физическим методом определения демпфирующей способности любых материалов - является метод измерения логарифмического декремента затухания Q^-1, который характеризует внутреннее трение материала. Декремент затухания вычисляется по данным измерения числа свободных поперечных колебаний образца, соответствующих уменьшению амплитуды колебаний (после отключения возмущений) в е-число раз. Из таблицы 1 следует, что составы сплавов системы титан-ниобий, где содержание ниобия соответствует от 15 до 17 мас.%, имеет наибольшее демпфирующее свойство.The main physical method for determining the damping ability of any materials is the method of measuring the logarithmic attenuation decrement Q ^-1 , which characterizes the internal friction of the material. The damping decrement is calculated by measuring the number of free transverse vibrations of the sample, corresponding to a decrease in the oscillation amplitude (after switching off disturbances) by an e-number of times. From table 1 it follows that the compositions of the alloys of the titanium-niobium system, where the niobium content corresponds to from 15 to 17 wt.%, Has the greatest damping property.

Экспериментально установлено, что метастабильная α″ - фаза оптимального состава сплава устойчива в интервале температур от -196^oC до +200^oC, в таблице 2, представлены результаты для сплава Ti + 16%Nb.It was experimentally established that the metastable α ″ phase of the optimal alloy composition is stable in the temperature range from -196 ^o C to +200 ^o C, table 2 shows the results for the alloy Ti + 16% Nb.

Установлено, что понижение температуры сплава способствует дополнительному выделению α″ - фазы, если по объему сплава α″ - фазы было менее 100%, или увеличивает искажение кристаллической решетки, что улучшает демпфирующие свойства в целом. It was found that lowering the temperature of the alloy contributes to the additional separation of the α ″ phase, if the volume of the alloy α ″ phase was less than 100%, or increases the distortion of the crystal lattice, which improves the damping properties as a whole.

Сплав содержащий Ti - 16%Nb после термической обработки имеет высокие прочностные и пластические характеристики: σ_в= 600-650 МПа, δ = 25 - 30%.The alloy containing Ti - 16% Nb after heat treatment has high strength and plastic characteristics: σ _in = 600-650 MPa, δ = 25 - 30%.

Источники информации
1. Бюллетень научно-технической информации Минчермет "Черная металлургия", вып.5(1081), 1989, стр. 8.Sources of information
1. Bulletin of scientific and technical information Minchermet "Ferrous metallurgy", issue 5 (1081), 1989, p. 8.

2. О.К.Белоусов, Е.В.Качур, И.И.Корнилов "Никелид титана", М., "Наука", 1974. 2. O.K. Belousov, E.V. Kachur, I.I. Kornilov "Titanium nickelide", M., "Science", 1974.

3. Патент США N 4134758, C 22 G 14/00, 1979. 3. US patent N 4134758, C 22 G 14/00, 1979.

Claims

A method of producing highly damping titanium alloys, including heating the alloys to a quenching temperature and subsequent quenching, characterized in that the alloys containing 15.0-17.5 wt.% Niobium are heated, the rest is heated to a temperature 30-100 ^° C higher than the temperature polymorphic transformation.