ТИТАНОВЫЙ СПЛАВ ДЛЯ СИЛОВЫХ КРЕПЕЖНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 2010 года по МПК C22C14/00 

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 σ_в σ_0,2 δ₅ Ψ σ_в σ_0,2 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.

Изобретение относиться к металлургии, а именно к титановым сплавам, и предназначено для использования в атомном энергомашиностроении при производстве силовых крепежных элементов фланцевых соединений и разъемов различных технологических систем реакторного оборудования атомных и термоядерных установок. Для получения высокотехнологичного титанового сплава с улучшенным комплексом основных механических и служебных свойств предложен титановый сплав, содержащий, 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%. Обеспечивается повышение работоспособности и эксплуатационной надежности силового крепежа фланцевых соединений и разъемов различных сосудов давления, трубопроводов и арматуры реакторного оборудования. 3 табл.

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,