Способ оценки энергоемкости титанового сплава Российский патент 2018 года по МПК C22F1/18 G01N3/60 

Изобретение относится к способам оценки энергоемкости титановых сплавов по их механическим свойствам и определение, по полученным величинам, пригодности данных сплавов для изготовления упругих элементов.

Упругие элементы, с одной стороны, как изделия, имеют огромный ассортимент, с другой стороны, по условиям эксплуатации, для каждого конкретного случая, должны иметь набор свойств, удовлетворяющих данным условиям. С этой точки зрения для выпуска отличных друг от друга упругих элементов необходимо, чтобы материал упругого элемента имел определенный набор необходимых упругих свойств и набор достаточных свойств материала, удовлетворяющих различным условиям эксплуатации.

Известен способ выбора высокопрочных титановых сплавов для изготовления упругих элементов по соотношению предела упругости σ_0,002, когда остаточная деформация составляет 0,002% к модулю упругости Е-σ_0,002/Е. Значение σ_0,002/E должно быть максимальным и не ниже 0,5⋅10². (Федорович В.А. «Мартенситостареющие стали - материал для упругих элементов», Металловедение и термическая обработка, 1988, №10).

Недостаток данного метода заключается в сложности получения данных характеристик, отсутствии их в технической литературе для большого класса материалов.

Известно техническое решение определения энергоемкости титановых пружин по параметру (τ₃²/G или τ₃²/ρG). Данные параметры должны быть максимальными. (Белогур В.П. «Упругие элементы из титановых сплавов». Пружины. Научно-технический журнал, 2016 г., №1, с. 12-14). Данное техническое решение принято в качестве прототипа.

Недостаток данного технического решения заключается в том, что не определены предельные значения параметров, наиболее точно характеризующие энергоемкость титанового сплав для изготовления упругих элементов.

Задачей заявляемого технического решения является повышение надежности оценки энергоемкости титановых сплавов для упругих элементов.

Технический результат, достигаемый в процессе решения поставленной задачи, заключается в упрощении оценки упругих свойств титановых сплавов и в повышении достоверности оценки энергоемкости титановых сплавов, прошедших технологические режимы деформации и термообработки.

Указанный технический результат достигается способом оценки энергоемкости титанового сплава для упругих элементов, включающем определение параметров, при этом дополнительно определяют параметр σ_0,2/σ_B, а в качестве оптимального соотношения значений для оценки энергоемкости сплава выбирают следующее значения соотношений указанных параметров:

τ₃²/G более 17 τ₃²/ρG более 3,7 σ_0,2/σ_B в пределах 0,89-0,96 σ_B не менее 1500 МПа τ₃ не менее 900 МПа,

где σ_0,2 - предел текучести, МПа; σ_B - предел прочности, МПа; τ₃ - максимальное касательное напряжение при кручении, МПа; G - модуль упругости при сдвиге, МПа; ρ - плотность, г/см³. Сплав должен иметь мелкодисперсную микроструктуру с размером глобулей (1-10) мкм мартенситного типа с меньшими субструктурными составляющими на периферии с наличием по границам отдельных зерен глобулярных частиц первичной α-фазы.

Результаты значений τ₃²/G, τ₃²/ρG для некоторых сплавов приведены в таблице 1. (Белогур В.П., «Упругие элементы из титановых сплавов». Пружины. Научно-технический журнал, 2016 г., №1, с. 12-14).

Максимально допускаемое напряжение пружины τ₃ тем выше, чем больше предел прочности сплава. В свою очередь, чем выше τ₃, тем выше энергоемкость пружины (τ₃²/G или τ₃²/ρG). Анализ данных таблицы 1 показывает, что сплав Ti-6Al-4V с низкими параметрами энергоемкости не подходит для изготовления упругих элементов. В то же время высокопрочный титановый сплав Ti-βC пригоден при использовании в качестве пружинного материала. Но эффективность его применения будет не высокая, так как прочность данного материала низкая, значительно меньше 1500 МПа.

Авторами данного технического решения были проведены исследования различных сплавов, а также проведен анализ имеющихся литературных данных, было установлено, что совокупность предлагаемых параметров оценки энергоемкости титановых сплавов с параметрами σ_0,2/σ_B, в пределах 0,89-0,96, σ_B не менее 1500 МПа, τ₃²/G более 17, τ₃²/ρG более 3,7 и τ₃ не менее 900 МПа является достаточной, чтобы принять решение об использовании данного сплава в качестве материала для упругих элементов, так как в пружине в процессе эксплуатации материал работает на скручивание. При этом, чем больше величины данных параметра, тем большей упругостью и энергоемкостью обладает данный материал.

Совокупность данных параметров позволяет быстро и корректно оценивать эффективность технологических режимов деформации и термообработки титановых сплавов.

Энергоемкость сплава на основе титана, а также его усталостная прочность зависят от конкретного состава химических элементов и режимов механической и термической обработок. Изменение режимов механической и термической обработок для конкретного химического состава сплава приводит к изменению структуры и к изменению размеров и скорости роста зерна, и, как следствие, к изменению прочностных и усталостных свойств.

Предлагаемый способ оценки энергоемкости был использован при разработке сплава на основе титана для упругих элементов, содержащего алюминий; молибден; ванадий; железо; углерод; водород; кислород; азот; кремний; цирконий; титан остальное, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Алюминий 3,85-4,05 Молибден 4,5-5,5 Ванадий 5,05-5,5 Железо ≤0,5 Углерод ≤0,1 Водород ≤0,015 Кислород ≤0,15 Азот ≤0,05 Кремний ≤0,15 Цирконий 0,35-0,5

Данный сплав имеет равномерную, мелкодисперсную микроструктуру с размером глобулей (1-10) мкм мартенситного типа с меньшими субструктурными составляющими на периферии с наличием по границам отдельных зерен глобулярных частиц первичной α-фазы. Определение параметров τ₃²/G или, τ₃²/ρG, σ_0,2/σ_B показало, что энергоемкость сплава по параметру τ₃²/G равна 20, а параметру τ₃²/ρG равна 4,7, предел прочности на кручение τ₃ равен 900 МПа, предел прочности на разрыв σ_B=1500 МПа, при отношении σ_0,2/σ_B равном 0,9,

По предлагаемым параметрам энергоемкости была проведена оптимизация химических элементов титанового сплава. Методом тройного вакуумного дугового переплава получали слитки диаметром 450 мм с различным содержанием химических элементов, после чего обтачивали до 420 мм; нагревали до температуры 960°С в газовой печи и ковали на диаметр 115 мм. Полученную заготовку обтачивали для удаления альфированного слоя.

Химический состав слитков представлен в табл.2.

Перед горячим выдавливанием заготовки покрыли препаратом коллоидно-графитовым марки НПК, просушили. Нагрев заготовок провели в печи ПН-15 при температуре 960±20°С и времени выдержки 90-120 мин. Было подготовлено несколько заготовок. Горячие заготовки выдавливали в воду при степени деформации 90-95%.

Далее каждый пруток обтачивали до необходимого диаметра, чтобы в дальнейшем проводить холодную деформацию. Например, чтобы в конечном итоге получить проволоку диаметром ∅14,5 мм, при степени холодной деформации 73%, брали заготовку диаметром ∅28,1 мм. Эту заготовку получали обточкой из выдавленного прутка 31,5 мм.

Далее проводили холодную деформацию со степенью 23-73% и получали конечную проволоку необходимого диаметра, затем проводили старение при температуре 390-490°С в течении 2-8 часов.

Образцы на испытания на кручение изготавливались длиной 150 мм, в форме цилиндрического стержня, полноразмерные, без проточки в рабочей части. Термообработку провели в лабораторной печи сопротивления СНОЛ 12/16.

Микроструктурные исследования сплава выполняли на электронном микроскопе. Результаты исследований представлены на фиг. 1.

Рентгенофазный анализ состава осуществляли при съемке монолитного образца на дифрактометре ДРОН-3 с монохроматическом СuK_α - излучением. Результаты исследований представлены на фиг. 2.

Исследования механических свойств на растяжение и кручение проводили на универсальной крутильно-разрывной машине МИ-40КУ, совмещенной с ПК.

Результаты исследований представлены в таблице 3

Полученный по описанной выше технологии сплав варианты 3-5 имеет равномерную, мелкодисперсную микроструктуру с размером глобулей 1-5 мкм мартенситного типа с меньшими субструктурными составляющими на периферии с наличием по границам отдельных зерен глобулярных частиц первичной α - фазы, в основном из орторомбического мартенсита α'', энергоемкость сплава по параметру τ²/G более 17, а параметру τ²/ρG более 3,7, предел прочности на кручение не менее 900 МПа, предел прочности на разрыв не менее 1500 МПа, при отношении σ_0,2/σ_B не менее 0,9,

Предлагаемый способ оценки энергоемкости по совокупности параметров и их оптимальным значениям может быть использован при оценке материалов, пригодных для изготовления упругих элементов (пружин, торсионов, зажимов, мембран и др.). Данные параметры титанового сплава достигаются посредством строгого контроля над химическим составом сплава и соблюдением режимов механической и термической обработок. Таким образом, применение предлагаемого способа позволяет повысить технологичность изготовления изделий, повысить надежность оценки энергоемкости титановых сплавов для упругих элементов, сократить время оценки упругих свойств титановых сплавов, не проводя длительных натурных испытаний, а также проводить оценку упругих свойств титановых сплавов в зависимости от технологических режимов деформации и термообработки.

Изобретение относится к способам оценки энергоемкости титановых сплавов по их механическим свойствам и определение, по полученным величинам, пригодности данных сплавов для изготовления упругих элементов. Сущность: определяют параметр σ_0,2/σ_B, и выбирают сплав с: параметром τ₃²/G более 17, параметром τ₃²/ρG более 3,7, отношением σ_0,2/σ_B в пределах 0,89-0,96, пределом прочности на разрыв σ_B не менее 1500 МПа, максимальным касательным напряжением при кручении τ₃ не менее 900 МПа, мелкодисперсной микроструктурой с размером глобулей 1-10 мкм мартенситного типа с меньшими субструктурными составляющими на периферии с наличием по границам отдельных зерен глобулярных частиц первичной α-фазы, где σ_0,2 - предел текучести, МПа; G - модуль упругости при сдвиге, МПа; ρ - плотность, г/см³. Технический результат: упрощение оценки упругих свойств титановых сплавов и повышение достоверности оценки энергоемкости титановых сплавов, прошедших технологические режимы деформации и термообработки. 3 табл., 2 ил.

Способ оценки энергоемкости титанового сплава для упругих элементов, включающий определение механических свойств, структуры сплава, параметров τ₃²/G или τ₃²/ρG, отличающийся тем, что дополнительно определяют параметр σ_0,2/σ_B и выбирают сплав с:

параметром τ₃²/G более 17,

параметром τ₃²/ρG более 3,7,

отношением σ_0,2/σ_B в пределах 0,89-0,96,

пределом прочности на разрыв σ_B не менее 1500 МПа,

максимальным касательным напряжением при кручении τ₃ не менее 900 МПа,

мелкодисперсной микроструктурой с размером глобулей 1-10 мкм мартенситного типа с меньшими субструктурными составляющими на периферии с наличием по границам отдельных зерен глобулярных частиц первичной α-фазы,

где σ_0,2 - предел текучести, МПа; G - модуль упругости при сдвиге, МПа; ρ - плотность, г/см³.