Сплав на основе титана

Сплав на основе титана

Реферат

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к металлургии сплавов на основе титана для крупногабаритных сварных конструкций с сечением более 300 мм, обладающих повышенной коррозионно-механической прочностью и эксплуатационной безопасностью для морской техники.

Известен сплав на основе титана для морской техники:

- сплав, содержащий, мас.%: алюминий 6,0-7,0; ниобий 2,0; тантал 1,0; молибден 0,8, содержание примесей минимально [1]. Сплав применяется для изготовления малогабаритных сварных конструкций морской техники.

Недостатком этого сплава является ограничение габаритов изготовляемых конструкций и высокая стоимость из-за содержания дорогостоящих легирующих элементов ниобия и тантала.

Также известны сплавы, близкие по составу ингредиентов: патенты РФ 2082803, С22С 14/00 от 27.06.97г. и 2086694, С22С 14/00 от 27.02.98 г.

Недостатками этих сплавов являются ограничение толщины свариваемых сечений (не более 20 мм) и коррозионное разрушение сварных соединений из-за повышенного содержания кислорода, азота, водорода

Предложен [2] в качестве прототипа состав сплава на основе титана (DE 102006031469 A1, B23K 20/04, С22С 14/00, 10.01.2008) [3], содержащий, мас.%: алюминий 2,3-7,8, ванадий ≤6,9, молибден ≤5,8, углерод ≤0,09, водород ≤0,2, железо ≤3,5, кремний ≤0,8, кислород ≤0,3. Сплав по характеристике назначения относится к листовым полуфабрикатам из титанового сплава, плакированного алюминиевым сплавом для автомобильных двигателей внутреннего сгорания с рабочей температурой более 600°С.

Из альтернативных вариантов составов сплава в качестве прототипа выбран сплав, количественный и качественный состав которого соответствует составу заявляемого сплава.

Недостатком этого сплава является ограничение толщины свариваемых сечений 1,0-8,0 мм. Сплав-прототип обладает низкой коррозионно-механической прочностью сварных соединений, оцениваемой малоцикловой долговечностью и коэффициентом интенсивности напряжений K_QSCC (вязкостью разрушения) сварных соединений в морской воде по сравнению с основным металлом из-за повышенного содержания железа и водорода.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание сплава для крупногабаритных сварных конструкций с сечением более 300 мм, обладающего повышенной коррозионно-механической прочностью, чем известный сплав.

Технический результат достигается за счет того, что сплав, содержащий алюминий, ванадий, азот, углерод, водород, железо, кислород, кремний и титан, отличается тем, что он содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:

Алюминий	3,5÷5,0;
Ванадий	1,4÷2,5;
Азот	0,005÷0,04
Углерод	>0,1÷0,12;
Водород	0,003-0,008
Железо	0,05-0,25
Кислород	0,05÷0,14
Кремний	0,05÷0,08;
Титан	остальное,

Указанное в заявляемом сплаве содержание компонентов обеспечивает оптимальное сочетание прочности и ударной вязкости сварных соединений.

Кремний в указанных пределах препятствует выделению α-фазы по границам зерен, снижающей коррозионно-механическую прочность. При содержании кремния более 0,08% в структуре сплава образуются интерметаллиды типа Тi₂ SI₃, которые снижают пластичность сварного шва, вызывая их разрушение

Углерод при содержании ≤0,12% находится в твердом растворе, а при содержании >0,12% он находится по границам зерен в виде округлых включений, которые снижают пластичность сплава и малоцикловую усталость сварных соединений в морской воде на 30 процентов.

Снижение содержания алюминия до 5,0% и ванадия до 2,5% по сравнению с известным сплавом предотвращает склонность сварных соединений титановых сплавов к коррозионному растрескиванию в морской воде и уменьшает степень внутрикристаллической ликвации при кристаллизации металла сварного шва, что обеспечивает получение равномерно однородной структуры металла сварного соединения с высокой пластичностью.

При содержании алюминия более 5% возможно образование обогащенных микросегрегатов, вызывающих неоднородность структуры и приводящих к снижению пластичности и коррозинно-механической прочности сварных соединений. При содержании алюминия менее 3,5% не обеспечиваются требования по прочности сплава.

При содержании ванадия более 2,5% наблюдается снижение ударной вязкости и пластических характеристик сварного соединения.

Содержание водорода в предлагаемом сплаве ограничено 0,008% по сравнению с известным сплавом для предотвращения развития водородной хрупкости разрушения сварных соединений.

Коррозионно-механическую прочность характеризует также малоцикловая долговечность образцов с острым надрезом в морской воде. Эксплуатационную безопасность сварных соединений крупногабаритных конструкций в морской воде характеризует отношение коэффициента интенсивности напряжений K_QSCC (вязкости разрушения) к пределу прочности при растяжении. Чем это отношение больше, тем безопаснее эксплуатация [4].

Образцы из предлагаемого и известного сплава были изготовлены из поковок с сечением 300 мм. Поковки сваривали ручным аргонодуговым методом по щелевому зазору.

Для определения коэффициента интенсивности напряжений K_QSCC изготавливали образцы размером 64×90×400 мм. Надрез выполняли по основному металлу и сварному шву. Испытания проводили по схеме трехточечного изгиба в среде, имитирующей морскую воду с составом 3,5% NaCl.

Коррозионно-механическую прочность оценивали также по результатам испытаний образцов на малоцикловую усталость. Испытания проводили на образцах с острым надрезом (r=0,1 мм) при растяжении в растворе, имитирующем морскую воду с составом 3,5% NaCl при напряжении, равном 0,8 σ_в.

Состав предлагаемого и известного сплавов и результаты испытаний для определения коэффициента интенсивности напряжений K_QSCC и малоцикловой долговечности приведены в таблицах 1 и 2.

Как видно из таблицы 2, результаты испытаний подтверждают, что предлагаемый состав сплава на основе титана превосходит известный по показателям, характеризующим коррозионно-механическую прочность: коэффициенту интенсивности напряжений и малоцикловой долговечности в морской воде.

Малоцикловая долговечность предлагаемого сплава в три раза выше малоцикловой долговечности известного сплава. Коэффициент безопасной эксплуатации K1_css/σ_в√м сварных соединений предлагаемого сплава почти в 4 раза выше известного.

Ожидаемый экономический эффект выразится в повышении безопасной эксплуатации крупногабаритных сварных конструкций морской техники примерно в 3 раза. Применение предлагаемого сплава в крупногабаритных сварных конструкциях снизит расход энергопотребления более 30% за счет исключения термической обработки и повышения эксплуатационной безопасности морской техники, а это приведет к сокращению количества ремонтов сварных конструкций и аварий на море.

Таблица 1
Химический состав предлагаемого и известного сплавов на основе титана
Сплав	№ состава	Al	V	N	С	Н2	Fe	O2	Si	Mo	Ti
Предлагаемый	1	3,5	1,4	0,005	0,10	0,003	0,05	0,05	0,05	-	ост.
2	4,0	2,0	0,008	0,08	0,006	0,15	0,10	0,07	-	ост.
3	5,0	2,5	0,04	0,12	0,008	0,25	0.14	0,08	-	ост.
Известный		6,5	4,0	0,02	0,08	0,015	0,5	0,20	0,3	3,0	ост.

Таблица 2
Коррозионно-механическая прочность и эксплуатационная безопасность сварных соединений предлагаемого и известного сплавов в морской воде
Сплав	Состав	σВМПа	KQSCC МПа√м	KQSCC/σВ	Долговечность при σном=0,8σ0,2, циклы
о.м.	с.ш.	о.м.	с.ш.	о.м.	с.ш.	о.м.	с.ш.
Предлагаемый	1	658	655	150	148	0,228	0,225	2438	2400
2	695	690	145	146	0,208	0,211	2450	2450
3	775	716	147	142	0,190	0,198	2500	2520
Известный		1150	1050	40,7	25,0	0,003	0,02	120	50

Литература

1. Б.А.Колачев, И.С.Полькин, В.Д.Талалаев. Титановые сплавы разных стран. М.: ВИЛС, 2000 г., стр.266.

2. Роспатент, Форма №10 И.З., ПО-2010. 100 Запрос по з. №200913608/02.

3. Патент ФРГ №ОЕ 102006031469 Al, B23K 20/04, С22С 14/00, 10.01.2008. «Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einem Titan-Flachprodukt fur Hochtemperaturan-wendungen».

4. (Х.Бевело. Влияние структуры на усталостное разрушение деталей из титановых сплавов. 3-я Международная конференция по титану. МГУ, г.Москва.)

Сплав на основе титана для крупногабаритных сварных конструкций, содержащий алюминий, ванадий, азот, углерод, водород, железо, кислород, кремний и титан, отличающийся тем, что он содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:

Алюминий	3,5÷5,0
Ванадий	1,4÷2,5
Азот	0,005÷0,04
Углерод	>0,1÷0,12
Водород	0,003÷0,008
Железо	0,05÷0,25
Кислород	0,05÷0,14
Кремний	0,05÷0,08
Титан	остальное