Титановый сплав для силовых крепежных элементов

Титановый сплав для силовых крепежных элементов

Реферат

Изобретение относится к металлургии титановых сплавов, содержащих в качестве основы титан с заданным соотношением легирующих и примесных элементов, и предназначено для использования в атомном энергетическом машиностроении при производстве силовых крепежных элементов фланцевых соединений и герметичных разъемов различных сосудов давления, трубопроводов и арматуры реакторного оборудования.

Известны конструкционные титановые материалы, применяемые в машиностроении и атомной энергетике (например, титановые сплавы типа ВТ, ОТ и ПТ, а также другие аналоги), указанные в государственных и отраслевых стандартах, а также в научно-технической литературе [1-5]. Однако известные сплавы в ряде случаев не обеспечивают требуемого уровня и стабильности основных физико-механических и служебных характеристик материала в условиях длительной высокотемпературной эксплуатации силового крепежа, что снижает работоспособность и эксплуатационную надежность энергетического оборудования и не отвечает требованиям, предъявляемым к объектам ядерной энергетики при их эксплуатации в течение заданного ресурса.

Наиболее близким к заявленной композиции по базовому составу и функциональному назначению является титановый (α+β) сплав марки ВТ 16 системы Ti-Al-Mo-V ОСТ 1.90013 [1], содержащий в своем составе легирующие и примесные элементы в следующем соотношении, в мас.%:

Алюминий	1,6-3,0
Молибден	4,5-5,5
Ванадий	4,5-5,0
Цирконий	≤0,3
Железо	≤0,25
Кремний	≤0,15
Углерод	≤0,10
Кислород	≤0,15
Азот	≤0,05
Водород	≤0,015
Титан	основа

Известный титановый сплав характеризуется недостаточно высоким уровнем кратковременной и длительной прочности при температурах эксплуатации (до 300°С) крепежных элементов реакторного оборудования. Вместе с тем этот сплав обладает низким сопротивлением усталости в агрессивных средах, а также пониженными значениями пластичности и ударной вязкости после нейтронного облучения.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание титанового сплава для силовых крепежных элементов, обладающего более высоким уровнем кратковременной и длительной прочности при температурах эксплуатации крепежных элементов реакторного оборудования (300°С), повышенным сопротивлением усталости в агрессивных средах, а также более высокими значениями пластичности и ударной вязкости после нейтронного облучения.

Технический результат достигается за счет того, что в титановом сплаве для силовых крепежных элементов, содержащем алюминий, молибден, ванадий, цирконий, железо, кремний, титан, углерод, кислород, азот, водород, согласно изобретению дополнительно введены ниобий, вольфрам, никель и церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Алюминий	2,5-3,5
Молибден	4,5-5,5
Ванадий	4,5-5,0
Цирконий	0,1-0,3
Железо	0,05-0,25
Кремний	0,05-0,15
Ниобий	0,1-0,3
Вольфрам	0,03-0,08
Никель	0,05-0,1
Церий	0,003-0,008
Углерод	0,03-0,10
Кислород	0,05-0,15
Азот	0,01-0,05
Водород	0,005-0,010
Титан	основа

При этом суммарное содержание углерода и азота не должно превышать 0,12% при значительном ограничении (до 0,010%) содержания водорода в твердом растворе.

Соотношение указанных легирующих и примесных элементов выбрано таким, чтобы заявляемый сплав после соответствующей термической обработки обеспечивал формирование наиболее оптимального структурного состояния, требуемый уровень и стабильность важнейших стуктурно-чувствительных характеристик материала, во многом определяющих заданную работоспособность и эксплуатационную надежность силового крепежа фланцевых соединений и технологических разъемов герметизирующих устройств реакторного оборудования.

Комплексное введение в заданную композицию микролегирющих и модифицирующих добавок ниобия, вольфрама, никеля и церия в указанном соотношении с другими легирующими элементами, прежде всего с алюминием, молибденом и ванадием, улучшает структурную стабильность и деформационную способность материала, снижает его чувствительность к коррозионно-усталостному разрушению при длительной эксплуатации в рабочих средах, а ограничение суммарного содержания азота и углерода повышает работу зарождения и развития трещин в условиях статического и динамического нагружений. При этом, как показали результаты исследований [5-9], происходит более равномерное распределение легирующих элементов по всему сечению слитка и полуфабрикатов, металл эффективнее очищается от вредных примесей и газов, более активно идет формирование мелкозернистой структуры с равноосной формой зерен, тоньше и чище становяться их границы, увеличивается прочность межкристаллитной связи, что в целом обеспечивает значительное повышение пластичности и вязкости металла в сложных условиях длительной эксплуатации силового крепежа. Введение модифицирующих добавок вне указанных в формуле изобретения пределов снижает эффективность их положительного влияния и не приводит к заметному улучшению этих структурно-чувствительных характеристик работоспособности материала крепежных элементов.

Фрактографический анализ поверхности изломов образцов методом сканирования на растровом электронном микроскопе показал, что в заявляемом сплаве доля вязкой составляющей в зоне усталостного разрушения металла заметно возрастает, по сравнению с известным составом.

Полученный более высокий уровень основных механических и служебных характеристик сплава обеспечивается комплексным легированием заявляемой композиции в указанном соотношении с другими элементами, сбалансированным химическим и фазовым составом, нормированным содержанием вводимых микролегирющих и модифицирующих добавок, а также контролем чистоты металла по содержанию остаточных вредных примесей.

В ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей» совместно с другими предприятиями отрасли в соответствии с планом проводимых научно-исследовательских разработок в рамках федеральной целевой программы «Энергетика-2015» выполнен необходимый комплекс лабораторных, расчетных и опытно-технологических работ по выплавке, пластической и термической обработке создаваемой марки сплава. Металл выплавлялся в вакуумных гарнисажных электропечах с магнитоуправляемой дугой с последующей обработкой на кузнечно-прессовом оборудовании с получением полуфабрикатов требуемого сортамента.

Химический состав исследованных материалов и результаты определения основных механических и служебных характеристик представлены в табл.1-3.

Ожидаемый технико-экономический эффект от применения разработанного титанового сплава в атомной энергетике и других отраслях народного хозяйства выразится в повышении эксплуатационной надежности и ресурса работы высоконагруженных фланцевых соединений и герметичных разъемов реакторного оборудования создаваемых атомных и термоядерных установок.

Таблица 2
Механические и эксплуатационные свойства исследованных материалов в отожженном состоянии
Состав	Условный номер сплава	Механические свойства при температуре, °С	Предел длительной прочности, σ1000 300°C	Ударная вязкость KCU и относительное удлинение δ5 после нейтронного облучения	Тип зерна
20	300
σв	σ0,2	δ5	Ψ	σв	σ0,2	δ5	Ψ
МПа	%	МПа	%	МПа	кДж/м2	%
Заявляемый	1	890	833	19,8	62,6	764	731	17,8	68,0	614	680	16,5	6
2	915	854	18,2	58,3	782	755	19,4	66,2	628	650	14,7	6
3	930	870	17,9	56,7	815	772	18,1	63,7	645	638	16,1	6
Известный	4	824	785	16,0	54,0	748	718	17,3	62,1	598	620	12,0	4
Примечание: 1. Результаты механических испытаний усреднены по трем образцам на точку
2. Испытания на длительную прочность проводили при 300°С на базе 1000 часов в соответствии с ГОСТ 10145
3.Нейтронное облучение образцов проводили в активной зоне водо-водяного реактора ВВР-М при дозе облучения Ф=1020 нейтр/см2 (энергия нейтронов Е=0,5 МэВ), температура облучения Тобл.=300°С

Таблица 3
Усталостная и коррозионно-усталостная прочность исследованных сплавов
Состав	Условный номер сплава	Пределы выносливости σ-1, МПа на базе 107 циклов при испытании
на воздухе	в синтетической морской воде
гладкие образцы	с надрезом	гладкие образцы	с надрезом
Заявленный	1	469	275	442	239
2	482	292	463	251
3	498	328	472	264
Известный	4	437	257	398	198
Примечание. Усталостные испытания проводили на консольных образцах в условиях поперечного изгиба с вращением по симметричному циклу (ГОСТ 25.502-79).

Литература

1. ОСТ 1 90013-71 «Сплавы титановые» (марки), прототип.

2. ОСТ 1 90202-75 «Прутки горячекатаные из сплава марки ВТ 16».

3. ГОСТ 19807 «Титан и сплавы титановые деформируемые» (марки).

4. Б.Б. Чечулин, С.С.Ушков и др. Титановые сплавы в машиностроении. Изд-во «Машиностроение», Л. 1977.

5. И.В.Горынин, В.В.Рыбин, С.С.Ушков и др. Титановые сплавы как перспективный реакторный материал. Сб.ст. «Радиационное материаловедение и конструкционная прочность реакторных материалов» Изд-е ЦНИИ КМ «Прометей», С-Пб, 2002.

6. К.Д.Хромушкин, А.Н.Савкин «Влияние напряжений затяжки на релаксационную стойкость и усталостную прочность резьбового соединения». Сб. Судостроительная промышленность. Вып.1, С-Пб, 1986.

7. В.А.Межонов, К.Д.Хромушкин «Влияние антизадирных покрытий на характеристики свинчиваемости и коррозионно-механическую прочность болтов из титановых сплавов». Сб. Судостроительная промышленность. Вып.11, С-Пб, 1991.

8. О.А.Кожевников, В.В.Рыбин, Е.В.Нестерова и др. «Механические свойства, тонкая структура и микромеханизмы разрушения облученных нейтронами сплавов титана». Журнал «Металловедение и термическая обработка металлов», №9, 1999.

9. И.И.Горынин, С.С.Ушков, А.Н.Хатунцев, Н.И.Лошакова «Титановые сплавы для морской техники». Изд-во «Политехника». С-Пб, 2007.

Титановый сплав для силовых крепежных элементов, содержащий алюминий, молибден, ванадий, цирконий, железо, кремний, углерод, кислород, азот, водород и титан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит ниобий, вольфрам, никель и церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Алюминий	2,5-3,5
Молибден	4,5-5,5
Ванадий	4,5-5,0
Цирконий	0,1-0,3
Железо	0,05-0,25
Кремний	0,05-0,15
Ниобий	0,1-0,3
Вольфрам	0,03-0,08
Никель	0,05-0,1
Церий	0,003-0,008
Углерод	0,03-0,10
Кислород	0,05-0,15
Азот	0,01-0,05
Водород	0,005-0,010
Титан	Основа,

при этом суммарное содержание углерода и азота не превышает 0,12%.