СПЛАВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА И СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ ИЗ ЭТОГО СПЛАВА Российский патент 2001 года по МПК C22C14/00 C22F1/18 

Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно к созданию современных титановых сплавов, используемых для изготовления преимущественно крупногабаритных поковок, штамповок, деталей крепежа и других деталей авиационной техники.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному сплаву является сплав на основе титана следующего состава, мас.%:
Алюминий - 4,0 - 6,3
Ванадий - 4,5 - 5,9
Молибден - 4,5 - 5,9
Хром - 2,0 - 3,6
Железо - 0,2 - 0,8
Цирконий - 0,01 - 0,08
Углерод - 0,01 - 0,25
Кислород - 0,03 - 0,25
Титан - Остальное
(Патент РФ N 2122040, C 22 C 14/00, 1988) - прототип.

Данный сплав обладает хорошим сочетанием высокой прочности и пластичности крупногабаритных деталей толщиной до 150 - 200 мм, закаливаемых в воде или на воздухе. Сплав хорошо деформируется в горячем состоянии и сваривается аргонодуговой и электронно-лучевой сваркой.

Недостатком сплава является недостаточный уровень прочности массовых крупногабаритных деталей толщиной более 150 - 200 мм, закаливаемых на воздухе.

Известен способ термической обработки крупногабаритных полуфабрикатов из двухфазных титановых сплавов, содержащий предварительный нагрев до температуры на 7 - 50^oC выше температуры полиморфного превращения, выдержку в течение 0,15 - 3 ч, охлаждение до температуры двухфазной области, на 20 - 80^oC ниже температуры полиморфного превращения, выдержку в течение 0,15 - 3 ч, закалку и старение (Авт. свид. СССР N 912771, C 22 F 1/18, 1982) - прототип.

Недостатком способа является недостаточный уровень прочности массивных крупногабаритных деталей толщиной более 150 - 200 мм.

Задачей, на решение которой направлены заявленные сплав на основе титана и способ термической обработки крупногабаритных полуфабрикатов из этого сплава, является достижение более высокого уровня прочности массивных крупногабаритных деталей толщиной более 150 - 200 мм.

Единый технический результат, достигаемый при осуществлении заявленной группы изобретений, заключается в регламентации оптимального сочетания α - и β - стабилизирующих легирующих элементов в готовом полуфабрикате.

Указанный технический результат достигается тем, что в сплаве на основе титана, содержащем алюминий, ванадий, молибден, хром, железо, цирконий, кислород и титан, он дополнительно содержит азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Алюминий - 4,0 - 6,0
Ванадий - 4,5 - 6,0
Молибден - 4,5 - 6,0
Хром - 2,0 - 3,6
Железо - 0,2 - 0,5
Цирконий - 0,7 - 2,0
Кислород - Не более 0,2
Азот - Не более 0,05
Титан - Остальное
при этом молибденовый эквивалент Mo_экв ≥ 13.

В соответствии с изобретением молибденовый эквивалент определяют следующим соотношением:

Кроме того, суммарное содержание алюминия и циркония не превышает 7,2 (2).

Указанный технический результат достигается также тем, что в способе термической обработки крупногабаритных полуфабрикатов из заявленного сплава на основе титана, содержащем нагрев, выдержку при температуре ниже температуры полиморфного превращения, охлаждение и старение, в соответствии с изобретением нагрев производят непосредственно до температуры t_{β←→α+β}= (30-70)^°C, выдержку при этой температуре осуществляют в течение 2 - 5 ч, а старение проводят при температуре 540 - 600^oC в течение 8 - 16 ч. Охлаждение осуществляют на воздухе или в воде.

Ответственной за высокую прочность сплава является в основном β -фаза в силу достаточно широкого набора β - стабилизаторов (V, Mo, Cr, Fe), их значительного количества и эффективности влияния на возможность сохранения метастабильного фазового состояния при замедленном охлаждении (например, на воздухе) массивных сечений штамповок. И хотя β -фаза является ведущей в процессе упрочнения сплава, усилить тенденцию повышения прочности можно только за счет повышения прочности α -фазы, обычная доля которой составляет для этого сплава 60 - 70%. Для этого усилено легирование α - фазы α -стабилизатором цирконием, который образует с α -титаном широкий ряд твердых растворов, относительно близок к нему по температуре плавления и плотности, повышает коррозионную стойкость и в количестве до 1,5 - 2,0% мягко повышает прочность сплава, практически не снижает его пластичность и трещиностойкость.

За счет регламентирования содержания β -стабилизаторов в виде молибденового эквивалента по соотношению (1) с установлением его минимального значения, повышения содержания циркония и регламентирования содержания α -стабилизаторов по соотношению (2), в сочетании с оптимизацией параметров обработки на твердый раствор, включающей нагрев и выдержку при температуре ниже температуры полиморфного превращения, массивные изделия из заявленного сплава после закалки на воздухе (или в воде) с температуры обработки на твердый раствор имеют после операции старения более высокий уровень прочности при удовлетворительных характеристиках пластичности и вязкости разрушения.

В настоящей заявке соблюдено требование единства изобретения, поскольку способ термической обработки предназначен для получения полуфабрикатов из заявленного сплава.

Для исследования свойств сплава были изготовлены опытные слитки диаметром 430 мм следующего усредненного состава (см. табл. 1).

Слиток ковали последовательно в β, α+β, β, α+β - областях с финишной деформацией в α+β - области в пределах 45 - 50% на цилиндрическую заготовку (биллет) диаметром 250 мм.

Далее поковки подвергали следующей термообработке:
а). Обработка на твердый раствор:
нагрев 790^oC, выдержка 3 часа, охлаждение на воздухе.

б). Старение:
нагрев 560^oC^o, выдержка 8 часов, охлаждение на воздухе.

Механические свойства поковок (усредненные данные в долевом направлении) приведены в табл. 2.

Из таблицы 2 видно, что заявленный сплав и способ термообработки полуфабрикатов из него позволяют обеспечить более уверенное и стабильное повышение прочностных характеристик в массивных деталях.

Заявленная группа изобретений предназначается для любых изделий (прутки, поковки, штамповки, плиты и т.д.), но особенно для массивных поковок и штамповок (со стороной или диаметром поперечного сечения более 150 - 200 мм), в которых требуется обеспечить высокий уровень прочности.

Сплав согласно изобретению может быть использован для изготовления крупногабаритных поковок, штамповок, деталей крепежа и других деталей авиационной техники. Сплав содержит следующие компоненты, мас.%: алюминий 4,0-6,0, ванадий 4,5-6,0, молибден 4,5-6,0, хром 2,0-3,6, железо 0,2-0,5, цирконий 0,7-2,0, кислород - не более 0,2, азот - не более 0,05, титан - остальное, при этом величина молибденового эквивалента Мo_экв составляет не менее 13,8. Способ термической обработки крупногабаритных полуфабрикатов из этого сплава заключается в нагреве до температуры t_{β←→α+β}= (30-70)^°C, выдержке при этой температуре в течение 2-5 ч, последующем охлаждении на воздухе или в воде и старении при температуре 540-600°С в течение 8-16 ч. Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в регламентации оптимального сочетания α и β - стабилизирующих легирующих элементов в готовом полуфабрикате, что приводит к достижению более высокого уровня прочности массивных крупногабаритных деталей толщиной более 150-200 мм. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Сплав на основе титана, содержащий алюминий, ванадий, молибден, хром, железо, цирконий, кислород и титан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит азот при следующем соотношении, мас.%:
Алюминий - 4,0 - 6,0
Ванадий - 4,5 - 6,0
Молибден - 4,5 - 6,0
Хром - 2,0 - 3,6
Железо - 0,2 - 0,5
Цирконий - 0,7 - 2,0
Кислород - Не более 0,2
Азот - Не более 0,05
Титан - Остальное
при этом молибденовый эквивалент Mo_экв ≥ 13,8. 2. Сплав по п.1, отличающийся тем, что молибденовый эквивалент определяют следующим соотношением:

3. Сплав по п.1 или 2, отличающийся тем, что суммарное содержание алюминия и циркония не превышает 7,2. 4. Способ термической обработки крупногабаритных полуфабрикатов из сплавов на основе титана, содержащий нагрев, выдержку при температуре ниже температуры полиморфного превращения, охлаждение и старение, отличающийся тем, что нагрев производят непосредственно до температуры t_{β←→α+β}= (30-70)^°C, выдержку при этой температуре осуществляют в течение 2 - 5 ч, а старение проводят при температуре 540 - 600^oC в течение 8 - 16 ч. 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что охлаждение осуществляют на воздухе или в воде.