RU2812206C1 - Высокопрочный сплав на основе титана и изделие, выполненное из него - Google Patents
Высокопрочный сплав на основе титана и изделие, выполненное из него Download PDFInfo
- Publication number
- RU2812206C1 RU2812206C1 RU2023108273A RU2023108273A RU2812206C1 RU 2812206 C1 RU2812206 C1 RU 2812206C1 RU 2023108273 A RU2023108273 A RU 2023108273A RU 2023108273 A RU2023108273 A RU 2023108273A RU 2812206 C1 RU2812206 C1 RU 2812206C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- titanium
- alloy
- strength
- molybdenum
- niobium
- Prior art date
Links
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 54
- 239000000956 alloy Substances 0.000 title claims abstract description 54
- 239000010936 titanium Substances 0.000 title claims abstract description 22
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 21
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 21
- 239000010955 niobium Substances 0.000 claims abstract description 21
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 19
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 18
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 18
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 18
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 16
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims abstract description 16
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 15
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 claims abstract description 15
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 claims abstract description 12
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 10
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 9
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 9
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims abstract description 5
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims abstract description 4
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 10
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 abstract description 10
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 abstract description 10
- 239000011265 semifinished product Substances 0.000 abstract description 6
- 238000005242 forging Methods 0.000 abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 abstract description 2
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 abstract 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 abstract 1
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract 1
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 description 8
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 7
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 5
- 239000000047 product Substances 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 4
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 3
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 3
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 2
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 2
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000004584 weight gain Effects 0.000 description 2
- 235000019786 weight gain Nutrition 0.000 description 2
- 229910020015 Nb W Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000009856 non-ferrous metallurgy Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 1
- 238000005204 segregation Methods 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000009864 tensile test Methods 0.000 description 1
- 229910021341 titanium silicide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010313 vacuum arc remelting Methods 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к металлургии, в частности к сплавам на основе титана, используемым для изготовления высокопрочных полуфабрикатов широкой номенклатуры, преимущественно штампованных и кованых поковок, листов, плит, биллетов, прутков, в том числе крупногабаритных, а также полуфабрикатов для изготовления деталей, эксплуатирующихся при повышенных температурах, которые могут быть использованы в авиакосмической, энергетической, химической отраслях промышленности, машиностроении и других индустриальных сферах. Высокопрочный сплав на основе титана содержит, мас.%: алюминий 5,0-7,0, молибден 6,0-12,0, ниобий 2,0-6,5, вольфрам 2,5-4,5, кремний 0,1-0,3, железо не более 0,2, кислород не более 0,17, углерод не более 0,05, азот не более 0,01, водород не более 0,01, титан и неизбежные примеси – остальное. Сплав характеризуется высокими значениями прочности при удовлетворительной пластичности, а также повышенным уровнем сопротивления ползучести и сопротивления окислению. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.
Description
Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к созданию сплавов на основе титана, используемых для изготовления высокопрочных полуфабрикатов широкой номенклатуры, преимущественно штампованных и кованых поковок, листов, плит, биллетов, прутков, в том числе крупногабаритных, а также полуфабрикатов для изготовления деталей, эксплуатирующихся при повышенных температурах, которые могут быть использованы в авиакосмической, энергетической, химической отраслях промышленности, машиностроении и других индустриальных сферах.
Сплавы на основе титана являются одними из важнейших конструкционных материалов. Их применение связано с присущим титану и его сплавам комплексу свойств: высокой прочности, коррозионной стойкости во многих агрессивных средах, немагнитности, хорошей жаропрочности при температурах эксплуатации до 500-600°С.
Специфика использования титановых сплавов в последние десятилетия состоит во все более широком использовании их в различных конструкциях, что приводит к увеличению, как объемов производства, так и сортамента полуфабрикатов и изделий.
Основными материалами для получения высоконагруженных элементов конструкций, благодаря сочетанию высокой прочности, вязкости разрушения, прокаливаемости и ряда других свойств, являются высокопрочные сплавы титана на основе β-фазы. Доминирующим свойством указанных сплавов является удельная прочность, которая определяет их использование при более высокой стоимости в сравнении с другими конструкционными материалами. Так, при прочности в 1500 МПа замена стального элемента на элемент, выполненный из высокопрочного титанового сплава на основе β-фазы, дает выигрыш в массе изделия около 20-25%.
Таким образом, вследствие возрастающих технических требований ответственные сферы применения материалов требуют от специалистов дальнейшего повышения эксплуатационных свойств деталей за счет разработки новых композиций титановых сплавов, которые способны удовлетворять повышенным требованиям к физико-механическим свойствам, что является весьма актуальной задачей.
Известен сплав на основе титана с пределом прочности более 1300 МПа, содержащий масс. %: 6,6 - 7,2 молибдена, 3 - 5,1 алюминия, 2,6 - 4,1 хрома, 2,7-3,1 ниобия, 0,17-0,25 кислорода, 0-0,5 железа, остальное - титан и примеси (Патент № CN110016588A, опубл. 16.07.2019, МПК C22C 14/00).
Известный сплав содержит до 0,5 масс. % железа, наличие которого в сплаве нежелательно по причине существенного снижения сопротивления ползучести при повышенных температурах, а также его повышенной ликвации при плавлении.
Наиболее близким к описываемому изобретению является сплав, содержащий масс.%: 2,0-4,0 алюминия, 5,5-8,0 молибдена, 0,4-0,8 железа, 8,5-10,5 ванадия, 0,4-0,8 хрома, 2,1-3,0 ниобия, 0,11-0,25 кремния, остальное - титан (Патент РФ 2192493, опубл. 10.11.2002, МПК C22C 14/00) - прототип.
Недостатком прототипа является низкое сопротивление окислению и сопротивление ползучести при повышенной температуре из-за высокого содержания ванадия в сплаве.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является создание универсального высокопрочного титанового сплава для изготовления из него широкой номенклатуры изделий, включая штампованные и кованые поковки, биллеты, листы, плиты и прутки, в том числе крупногабаритные, с возможностью их применения при повышенной температуре.
Техническим результатом, достигаемым при реализации изобретения, является получение титанового сплава, обладающего комплексом высоких механических и эксплуатационных свойств, включая высокую прочность с обеспечением удовлетворительной пластичности, а также повышенный уровень сопротивления ползучести и сопротивления окислению.
Указанный технический результат достигается тем, что высокопрочный сплав на основе титана, содержащий алюминий, молибден, ниобий, железо, кремний, кислород, согласно изобретению сплав дополнительно содержит вольфрам, углерод, азот, водород при следующем соотношении компонентов, масс.%:
Алюминий 5,0 - 7,0
Молибден 6,0 - 12,0
Ниобий 2,0 - 6,5
Вольфрам 2,5 - 4,5
Кремний 0,1 - 0,3
Железо не более 0,2
Кислород не более 0,17
Углерод не более 0,05
Азот не более 0,01
Водород не более 0,01
Титан и неизбежные примеси - Остальное,
Отношение Mo к Nb составляет от 2 до 4, где Mo и Nb – содержания молибдена и ниобия в масс.%. Отношение Al к W составляет от 1,4 до 2,2, где Al и W – содержания алюминия и вольфрама в масс.%.
Кроме того, предложено изделие из этого сплава.
В состав сплава введены легирующие элементы из различных групп стабилизаторов, дающие комплексный эффект упрочнения α- и β-фазы в структуре сплава: α-стабилизаторы: алюминий, кислород, углерод, азот; β-стабилизаторы: молибден, ниобий, вольфрам, кремний, железо.
Группа α-стабилизаторов (Al, O, C, N)
Алюминий является основным α-стабилизатором, повышает температуру полиморфного превращения. Содержание алюминия в сплаве принято от 5,0 до 7,0 масс.%. Для обеспечения оптимального упрочняющего эффекта предпочтительно содержание алюминия не менее 5,0 масс. % и не более 7,0 масс. %, так как при более высоком содержании в α-фазе происходит образование фазы Ti3Al, что негативно сказывается на эксплуатационных свойствах сплава, в частности снижается пластичность и вязкость разрушения.
Содержание кислорода, азота и углерода в указанных пределах, наряду с повышением прочности, повышает температуру аллотропического превращения титана и обеспечивает сохранение высокого уровня прочности и пластичности. Более высокие концентрации кислорода, углерода и азота понижают технологическую пластичность и ударную вязкость сплава.
Группа β-стабилизаторов (Mo, Nb, W, Si).
Легирование сплава β-стабилизаторами уменьшает температуру полиморфного превращения. Авторами установлено, что совместное введение молибдена, ниобия, вольфрама в предложенном содержании компонентов в сплаве способствует его упрочнению и повышению жаропрочных характеристик.
Введение молибдена и ниобия обусловлено возможностью их неограниченного растворения в β-фазе титана. Содержание молибдена более 6,0 масс.% увеличивает твердорастворное упрочение сплава, при содержании молибдена более 12,0 масс.%, повышается плотность сплава, что повышает массу изготовляемых изделий. Содержание ниобия в интервале 2,0 – 6,5 масс.% позволяет повысить сопротивление окислению и обеспечить его равномерное содержание в фазах титана.
Содержание вольфрама в сплаве ограничено диапазоном от 2,5 до 4,5, что в сумме с другими β-стабилизаторами обеспечивает стабилизирующий эффект фиксации метастабильной фазы при охлаждении на воздухе после ковки/прокатки с использованием упрочняющей термической обработки на финальной стадии изготовления сплава для получения максимальных прочностных характеристик. Вольфрам, имея низкий коэффициент диффузии и высокий коэффициент упругости, образует твердый раствор с β-фазой титана, что повышает жаропрочность сплава.
Содержание кремния в сплаве установлено в диапазоне от 0,1 до 0,3 масс. %. Наличие в сплаве кремния, присутствующего в твердом растворе титана, повышает прочность без снижения пластичности и повышает сопротивление ползучести. Концентрация кремния свыше 0,3 масс. % приводит к образованию крупных частиц силицидов титана, что снижает пластичность сплава, а также негативно сказывается на сопротивление усталостному разрушению.
В заявляемом сплаве отношение Mo к Nb составляет от 2 до 4, где Mo и Nb – содержания молибдена и ниобия в масс.%, находится в диапазоне от 2 до 4, а отношение Al (масс.%) к W (масс.%), составляет от 1,4 до 2,2, где Al и W – содержания алюминия и вольфрама в масс.%. Это позволяет сохранять высокое сопротивление ползучести сплава и хорошую стойкость к окислению при повышенных температурах.
Композиция элементов, введенных в состав сплава в заявляемом соотношении и характеризующихся в отдельности благоприятным влиянием на свойства титана, а также регламентирование соотношений легирующих элементов, позволяет достичь аддитивного эффекта в части получения высоких значений сопротивления ползучести и сопротивления окислению по отношению к известным сплавам.
Промышленная применимость изобретения подтверждается примером его конкретного выполнения.
Для исследования свойств предлагаемого сплава было выплавлено методом вакуумно-дугового переплава 3 химических состава слитков. Химические составы сплавов по изобретению и температура полиморфного превращения (Тпп) сплавов, определенная металлографическим методом, представлены в табл. 1.
Слитки сплавов подвергали деформированию ковкой и последующей прокатке с получением плит толщиной равной 13 мм, после чего их подвергали упрочняющей термической обработке.
Табл.1
| Состав сплава | Массовая доля элементов, % | Тпп, °С | Mo/Nb | Al/W | ||||||||||
| Ti | Al | Mo | Nb | W | Si | Fe | O | C | N | H | ||||
| 1 | основа | 5,83 | 9,47 | 2,82 | 3,72 | 0,22 | 0,10 | 0,13 | 0,006 | ˂0,003 | 0,0023 | 890 | 3,36 | 1,57 |
| 2 | основа | 6,2 | 7,8 | 3,8 | 4 | 0,25 | 0,10 | 0,11 | 0,006 | ˂0,003 | 0,0019 | 915 | 2,05 | 1,55 |
| 3 | основа | 6,5 | 10,3 | 2,6 | 3,4 | 0,21 | 0,10 | 0,10 | 0,005 | ˂0,003 | 0,0022 | 895 | 3,96 | 1,91 |
Для анализа механических свойств проводили испытания на растяжение при комнатной температуре и испытание на сопротивление ползучести, определяли предел прочности, относительное удлинение и предел длительной прочности при 400°С. Значения полученных механических свойств образцов в сравнении со сплавом-прототипом приведены в таблице 2. Как видно, механические свойства предлагаемого сплава превышают механические свойства сплава-прототипа: предел прочности при комнатной температуре выше на 50-60 МПа, предел длительной прочности при 400°С выше на 50 МПа.
Для изучения возможности использования предлагаемого сплава при повышенных температурах была проведена оценка его жаростойкости. С этой целью проводили изотермический отжиг образцов в статическом лабораторном воздухе при температуре 700°C с продолжительностью выдержки 100 часов. После чего осуществляли исследование стойкости к окислению посредством расчета привеса массы образцов, выраженного в мг/см2. Результаты исследований стойкости к окислению предлагаемого сплава в сравнении с известными промышленными жаропрочными сплавами приведены на фиг.1. Предлагаемый сплав имеет на 30% меньший привес массы при окислении по сравнению с жаропрочными серийными сплавами Ti6242S и Ti6246, что демонстрирует его преимущество.
Таким образом, заявляемый сплав, по сравнению с известными, обладает более высокими значениями прочности и сопротивления ползучести, имеет повышенное сопротивление окислению по сравнению с промышленными жаропрочными титановыми сплавами и может быть использован для производства полуфабрикатов широкой номенклатуры, в том числе для изготовления деталей, эксплуатирующихся при повышенных температурах, которые могут быть использованы в различных индустриальных сферах.
Claims (5)
1. Высокопрочный сплав на основе титана, содержащий алюминий, молибден, ниобий, железо, кремний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит вольфрам, кислород, углерод, азот, водород при следующем соотношении компонентов, мас.%:
2. Высокопрочный сплав по п.1, отличающийся тем, что отношение Mo к Nb составляет от 2 до 4, где Mo и Nb – содержания молибдена и ниобия в мас.%.
3. Высокопрочный сплав по п.1, отличающийся тем, что отношение Al к W составляет от 1,4 до 2,2, где Al и W – содержания алюминия и вольфрама в мас.%.
4. Изделие из высокопрочного сплава на основе титана, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по любому из пп. 1-3.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2812206C1 true RU2812206C1 (ru) | 2024-01-25 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2192493C2 (ru) * | 2000-12-19 | 2002-11-10 | Государственное предприятие Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов | Сплав на основе титана и изделие, выполненное из него |
| JP2006183104A (ja) * | 2004-12-28 | 2006-07-13 | Aichi Steel Works Ltd | 冷間加工性に優れた高強度チタン合金 |
| US20140338795A1 (en) * | 2011-11-10 | 2014-11-20 | Institut National Des Sciences Appliquees De Rennes | Method for manufacturing a titanium alloy for biomedical devices |
| JP6201263B2 (ja) * | 2014-06-25 | 2017-09-27 | 国立大学法人大阪大学 | チタン合金の接合方法及び構造物 |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2192493C2 (ru) * | 2000-12-19 | 2002-11-10 | Государственное предприятие Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов | Сплав на основе титана и изделие, выполненное из него |
| JP2006183104A (ja) * | 2004-12-28 | 2006-07-13 | Aichi Steel Works Ltd | 冷間加工性に優れた高強度チタン合金 |
| US20140338795A1 (en) * | 2011-11-10 | 2014-11-20 | Institut National Des Sciences Appliquees De Rennes | Method for manufacturing a titanium alloy for biomedical devices |
| JP6201263B2 (ja) * | 2014-06-25 | 2017-09-27 | 国立大学法人大阪大学 | チタン合金の接合方法及び構造物 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20190169713A1 (en) | Titanium alloy with improved properties | |
| CA2485122C (en) | Alpha-beta ti-al-v-mo-fe alloy | |
| RU2657892C2 (ru) | Высокопрочный титановый сплав с альфа-бета-структурой | |
| JP2013539822A (ja) | 高強度および延性アルファ／ベータチタン合金 | |
| CN111826550B (zh) | 一种中等强度耐硝酸腐蚀钛合金 | |
| EP3844314B1 (en) | Creep resistant titanium alloys | |
| US11920218B2 (en) | High strength fastener stock of wrought titanium alloy and method of manufacturing the same | |
| RU2610657C1 (ru) | Сплав на основе титана и изделие, выполненное из него | |
| RU2812206C1 (ru) | Высокопрочный сплав на основе титана и изделие, выполненное из него | |
| RU2690768C1 (ru) | Сплав на основе титана и прутковая заготовка из сплава на основе титана | |
| RU2776521C1 (ru) | Сплав на основе титана и изделие, выполненное из него | |
| RU2614356C1 (ru) | Сплав на основе титана и изделие, выполненное из него | |
| RU2690257C1 (ru) | Сплав на основе титана | |
| RU2569285C1 (ru) | Высокопрочный сплав на основе титана и изделие, выполненное из высокопрочного сплава на основе титана | |
| RU2781823C1 (ru) | Сплав на основе титана и компонент выхлопной системы | |
| RU2356977C2 (ru) | Сплав на основе титана и изделие, выполненное из него | |
| RU2308497C1 (ru) | Сплав на основе титана и изделие, выполненное из этого сплава | |
| WO2023048593A1 (ru) | Сплав на основе титана и изделие, выполненное из него | |
| RU2606677C1 (ru) | Сплав на основе титана (варианты) и изделие, выполненное из него | |
| CN113862583A (zh) | 一种高强度耐腐蚀的奥氏体不锈钢 | |
| RU2465358C1 (ru) | Сплав на основе титана | |
| De Gélas et al. | A Titanium Alloy with Improved Mechanical Resistance Ti-6A1-6V-2Sn-6Zr |