СПЛАВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА TITANIUM ALLOY
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к области металлургии, а именно к созданию современных титановых сплавов, используемых для изготовления высокопрочных и высокотехнологичных изделий, в том числе крупногабаритных, т.е. сплавов, обладающих высокой степенью универсальности.The invention relates to the field of metallurgy, in particular to the creation of modern titanium alloys used for the manufacture of high-strength and high-tech products, including large ones, i.e. alloys with a high degree of versatility.
Титановые сплавы широко применяются в качестве мате- риалов аэрокосмического назначения, например, для самолетов и ракет, т.к. сплавы обладают прочными механическими свойствами и являются сравнительно легковесными.Titanium alloys are widely used as aerospace materials, for example, for airplanes and rockets, because alloys have strong mechanical properties and are relatively lightweight.
Предшествующий уровень техники Известен наиболее широко используемый титановый сплавBACKGROUND OF THE INVENTION The most widely used titanium alloy is known.
ТiбАWV (Калачев Б.A., Полькин И.C. и Талалаев В.Д. Титановые сплавы разных стран. Справочник. M.: ВИЛС, 2000, с. 58-59) - [1]. Сплав разработан в США в 50-х годах. Сплав средней прочности от 850 до 1000 МПа и высокой технологичности. Хорошо обраба- тывается давлением: ковкой, штамповкой, прессованием. Нашел широкое применение в авиационной и аэрокосмической технике, судостроении, автомобилестроении и др., а также для изготовления деталей крепежа различного назначения. Сплав хорошо обрабатывается всеми видами сварки, в том числе диффузионной. Недостатком сплава Ti6A14V является его недостаточная универсальность. Из него сложно изготовить тонколистовой прокат, фольгу и трубы, так как сплав обладает относительно высоким сопротивлением деформации, что при температуре деформа-
ции ниже 8000C ведет к образованию таких дефектов, как трещины, а также сокращает срок службы рабочего инструмента или требует использования дорогостоящей инструментальной оснастки. Известен псевдо-α-титановый сплав Grаdе 9 (Ti-ЗA1-2,5V), как сплав, обладающий высокой способностью к холодной деформации (см. [1], с 44,45). Обладает промежуточной прочностью сплава Ti-6A1-4V и титaнa(600-800 МПа). Применяется в нагарто- ванном состоянии и после отжига для снятия напряжений; облада- ет высокой коррозионной стойкостью во многих средах, включая морскую воду. Используется для изготовления труб гидравлической и топливной систем самолетов, ракет, подводных лодок.TibAWV (Kalachev B.A., Polkin I.S. and Talalaev V.D. Titanium alloys from different countries. Handbook. M .: VILS, 2000, p. 58-59) - [1]. The alloy was developed in the USA in the 50s. Alloy of medium strength from 850 to 1000 MPa and high technology. It is well processed by pressure: forging, stamping, pressing. Found wide application in aviation and aerospace engineering, shipbuilding, automotive industry, etc., as well as for the manufacture of fastener parts for various purposes. The alloy is well processed by all types of welding, including diffusion. The disadvantage of Ti6A14V alloy is its lack of versatility. It is difficult to make sheet metal, foil and pipes from it, since the alloy has a relatively high deformation resistance, which at temperatures below 800 0 C leads to the formation of defects such as cracks, and also shortens the life of the working tool or requires the use of expensive tooling. The known pseudo-α-titanium alloy Grade 9 (Ti-ZA1-2.5V), as an alloy having a high ability to cold deformation (see [1], with 44.45). It has intermediate strength of the alloy Ti-6A1-4V and titanium (600-800 MPa). It is used in the cured state and after annealing to relieve stresses; It has high corrosion resistance in many environments, including seawater. Used for the manufacture of pipes for the hydraulic and fuel systems of aircraft, rockets, submarines.
Недостатком известного сплава является также его низкая универсальность, связанная с тем, что при изготовлении крупно- габаритных конструкционных изделий обязательным является снятие внутренних напряжений. С этой целью изделия проходят отжиг, при этом прочностные характеристики сплава Grаdе 9 снижаются до 400-500 МПа.A disadvantage of the known alloy is also its low versatility, due to the fact that in the manufacture of large-sized structural products it is mandatory to relieve internal stresses. To this end, the products are annealed, while the strength characteristics of the Grade 9 alloy are reduced to 400-500 MPa.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению яв- ляется α+β-титановый слав, включающий 3,0-5,0 Al; 2,1-3,7 V; 0,85-3,15 Mo; 0,85-3,15 Fe; 0,06-0,2 O2 и неизбежные примеси (заявка Японии JЧs 3007214 B2, публ. 07.02.2000)- прототип.The closest analogue to the claimed invention is α + β-titanium fame, comprising 3.0-5.0 Al; 2.1-3.7 V; 0.85-3.15 Mo; 0.85-3.15 Fe; 0.06-0.2 O 2 and inevitable impurities (Japanese application JС 3007214 B2, publ. 07.02.2000) - prototype.
Недостатком названного сплава является высокое содержание железа и молибдена, которые склонны к ликвации. С целью снижения вероятности возникновения ликвационной неоднородности необходимо использовать специальную технологию выплавки слитков, а также проводить прокатку и ковку с малыми степенями деформации с целью исключения декорации «бeтa-
флeкoв», что снижает производительность.The disadvantage of this alloy is the high content of iron and molybdenum, which are prone to segregation. In order to reduce the likelihood of segregation heterogeneity, it is necessary to use a special technology for smelting ingots, as well as rolling and forging with small degrees of deformation in order to exclude the “beta- flash ”, which reduces performance.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Задачей, на решение которой направлено данное изобрете- ние, является создание универсального титанового сплава с наименьшими затратами на его изготовление и возможностью изготавливать из него широкую номенклатуру изделий из титановых сплавов, таких как крупногабаритные поковки и штамповки, а также тонколистовой прокат и фольгу с необходимыми прочнόст- ными и пластическими характеристиками и структурой.The problem to which this invention is directed is to create a universal titanium alloy with the lowest cost for its manufacture and the ability to produce from it a wide range of products from titanium alloys, such as bulky forgings and stampings, as well as sheet metal and foil with the required strength - ny and plastic characteristics and structure.
Технический результат, достигаемый при осуществлении заявляемого изобретения, заключается в регламентации оптимального сочетания α- и β-стабилизирующих легирующих компонентов в готовом полуфабрикате. Технический результат достигается тем, что в сплаве на основе титана, состоящем из алюминия, ванадия, молибдена, железа и кислорода, согласно изобретению компоненты взяты в следующем соотношении, мае. %:The technical result achieved by the implementation of the claimed invention is to regulate the optimal combination of α- and β-stabilizing alloying components in the finished semi-finished product. The technical result is achieved by the fact that in a titanium-based alloy consisting of aluminum, vanadium, molybdenum, iron and oxygen, according to the invention, the components are taken in the following ratio, May. %:
Алюминий 3,5-4,4 Ванадий 2,0-4,0Aluminum 3.5-4.4 Vanadium 2.0-4.0
Молибден 0, 1 -0, 8Molybdenum 0, 1 -0, 8
Железо mах 0,4Iron max 0.4
Кислород mах 0,25Oxygen max 0.25
Титан остальное Сочетание высокой прочности и технологической пластичности предлагаемого сплава достигается в результате целенаправленного выбора и экспериментальной оценки диапазонов легирования. Содержание α- стабилизирующих элементов (алюминия,
кислорода) и β-стабилизирующих элементов (ванадия, молибдена и железа) выбрано необходимым и достаточным для достижения поставленной цели.Titanium rest The combination of high strength and technological plasticity of the proposed alloy is achieved as a result of a targeted selection and experimental assessment of alloying ranges. The content of α-stabilizing elements (aluminum, oxygen) and β-stabilizing elements (vanadium, molybdenum and iron) are selected necessary and sufficient to achieve the goal.
Алюминий является стабилизатором α-фазы для α +β- титановых сплавов, который обеспечивает повышение механиче- ской прочности. Однако, когда содержание алюминия в заявляемом сплаве составляет менее 3,5%, необходимая прочность не может быть достигнута. Если же содержание алюминия превышает 5%, сопротивление горячей деформации увеличивается и де- формируемость при более низких температурах ухудшается, что приводит к снижению производительности.Aluminum is an α-phase stabilizer for α + β-titanium alloys, which provides an increase in mechanical strength. However, when the aluminum content of the inventive alloy is less than 3.5%, the required strength cannot be achieved. If the aluminum content exceeds 5%, the resistance to hot deformation increases and the deformability at lower temperatures deteriorates, which leads to a decrease in productivity.
Ванадий добавляют в титан в качестве стабилизатора β-фазы для α +β-титaнoвыx сплавов, который обеспечивает повышение механической прочности, не образуя хрупкие интерметаллиды с титаном. Наличие ванадия в сплаве по мере стабилизации β-фазы затрудняет образование α2 -сверхструктуры в α-фазе и способствует повышению не только прочностных свойств, но и пластичности. При содержании ванадия менее 2% достаточная прочность, которая должна быть получена, исходя из изобретения, не может быть достигнута. Если содержание ванадия превышает 4,0%, сверхпластическое удлинение уменьшается за счет чрезмерного снижения температуры полиморфного превращения. Содержание ванадия в пределах 2,0-4,0% в данном сплаве имеет преимущество в связи с тем, что для его получения могут быть использованы от- ходы сплава Ti6A14V, широко применяемого на нашем предприятии.Vanadium is added to titanium as a β-phase stabilizer for α + β-titanium alloys, which provides an increase in mechanical strength without forming brittle intermetallic compounds with titanium. The presence of vanadium in the alloy as the β phase stabilizes makes it difficult to form an α 2 superstructure in the α phase and helps to increase not only strength properties, but also ductility. When the content of vanadium is less than 2%, sufficient strength, which must be obtained on the basis of the invention, cannot be achieved. If the vanadium content exceeds 4.0%, superplastic elongation is reduced due to an excessive decrease in the polymorphic transformation temperature. The content of vanadium in the range of 2.0-4.0% in this alloy has the advantage of the fact that the waste of the Ti6A14V alloy, which is widely used in our enterprise, can be used to obtain it.
Молибден добавляют в титан в качестве стабилизатора β- фазы для α +β-титaнoвыx сплавов. Введение молибдена в преде-
лах 0,1-0,8% обеспечивает полную растворимость его в α-фазе, что позволяет получать необходимые прочностные характеристики без снижения пластических свойств. Если содержание молибдена превышает 0,8%, увеличивается удельный вес сплава в след- ствие того, что молибден является тяжелым металлом, и пластические свойства сплава снижаются. Содержание молибдена менее 0,1% не обеспечивает свойства сплава в полном объеме.Molybdenum is added to titanium as a β-phase stabilizer for α + β-titanium alloys. The introduction of molybdenum in the pre- 0.1–0.8% ensures its complete solubility in the α phase, which makes it possible to obtain the necessary strength characteristics without reducing the plastic properties. If the molybdenum content exceeds 0.8%, the specific gravity of the alloy increases due to the fact that molybdenum is a heavy metal, and the plastic properties of the alloy are reduced. A molybdenum content of less than 0.1% does not provide the full properties of the alloy.
Введение железа в сплав до 0,4% увеличивает объемную долю β-фазы, снижая сопротивление деформации при горячей обра- ботке сплава, что помогает избежать образование таких дефектов, как трещины. Содержание железа более 0,4% приводит к ликва- ционным процессам с образованием «бeтa-флeкoв» при плавлении и кристаллизации сплава, что приводит к неоднородности механических свойств, в частности пластичности. Кислород обеспечивает повышение механической прочности при образовании твердого раствора, в основном, в α-фазе. Содержание кислорода более 0,25% может привести к снижению пластических свойств сплава.The introduction of iron into the alloy up to 0.4% increases the volume fraction of the β phase, decreasing the resistance to deformation during hot working of the alloy, which helps to avoid the formation of defects such as cracks. An iron content of more than 0.4% leads to segregation processes with the formation of “beta-fluxes” during melting and crystallization of the alloy, which leads to heterogeneous mechanical properties, in particular ductility. Oxygen provides an increase in mechanical strength during the formation of a solid solution, mainly in the α phase. An oxygen content of more than 0.25% can lead to a decrease in the plastic properties of the alloy.
В качестве неизбежных примесей в сплаве может присутст- вовать до 0,1% углерода и до 0,05% азота, при этом общее количество примесей не должно превышать 0,16%.Up to 0.1% carbon and up to 0.05% nitrogen can be present as inevitable impurities in the alloy, while the total amount of impurities should not exceed 0.16%.
Варианты осуществления изобретенияEmbodiments of the invention
Для исследования свойств заявляемого сплава были выплав- лены методом двойного вакуумного дугового переплава слитки следующего химического состава (таблица 1).
Таблица 1To study the properties of the inventive alloy, ingots of the following chemical composition were smelted using the double vacuum arc remelting method (table 1). Table 1
Таблица 2table 2
Из каждого слитка методом горячей деформации были изготовлены прутки диаметром 50 мм. Часть прутков была подвергнута термической обработке путем отжига при температуре 7500C, выдержке 1 час и охлаждении на воздухе. Были исследованы при комнатной температуре механические свойства прутков, прошедших термическую обработку, и прутков без термообработки. Результаты исследований приведены в таблице 2. Кроме того, дополнительно были исследованы механические свойства β- осаженных заготовок, подвергнутых термической обработке при температуре 71O0C, выдержке 3 часа и охлаждению на воздухе.
Результаты испытаний механических свойств заготовок, полученных осадкой в α+β и β-области приведены в таблице 2.From each ingot, bars with a diameter of 50 mm were made by hot deformation. Some of the rods were subjected to heat treatment by annealing at a temperature of 750 0 C, holding for 1 hour and cooling in air. The mechanical properties of heat-treated rods and rods without heat treatment were investigated at room temperature. The research results are shown in table 2. In addition, the mechanical properties of β-deposited preforms subjected to heat treatment at a temperature of 71O 0 C, holding for 3 hours and cooling in air were additionally investigated. The test results of the mechanical properties of the workpieces obtained by upsetting in the α + β and β-region are shown in table 2.
Промышленная применимость Предлагаемый сплав по сравнению с известными обладает высокой универсальностью, экономически выгоден, имеет более низкую себестоимость, в связи с тем, что для его производства используются отходы широко известных сплавов, например, сплав Ti6A14V. Данный сплав обладает необходимым и достаточным уровнем механических свойств и может быть использован путем деформации как в α+β-области, так и в β-области для изготовления широкой номенклатуры изделий, включая крупногабаритные штамповки и поковки, а также тонкие листы и фольгу.
Industrial applicability The proposed alloy, in comparison with the known ones, has high versatility, is economically profitable, has a lower cost, due to the fact that waste from widely known alloys, for example, Ti6A14V alloy, is used for its production. This alloy has the necessary and sufficient level of mechanical properties and can be used by deformation both in the α + β-region and in the β-region for the manufacture of a wide range of products, including large-size stampings and forgings, as well as thin sheets and foil.