Патент на изобретение №2346070
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(54) ВЫСОКОПРОЧНЫЙ ТИТАНОВЫЙ СПЛАВ
(57) Реферат:
Изобретение может быть использовано для изготовления деталей аэрокосмической промышленности. Пригодный для термообработки
Область техники, к которой относится изобретение Изобретение относится к сплаву на основе Уровень техники С тех пор как в начале 1950-х годов началось серьезное производство титана, было разработано множество титановых сплавов. Усилия, направленные на разработку этих различных сплавов, имели разные цели в отношении получаемого в качестве конечного продукта сплава: некоторые сплавы разрабатывались с целью улучшения тепловых характеристик, некоторые для повышения стойкости к коррозии, а некоторые даже для улучшения способности к ковке и формовке. При этом, однако, чаще всего цель состояла просто в том, чтобы повысить прочность на растяжение. В данном случае под прочностью на растяжение подразумевается прочность на растяжение, «пригодная для эксплуатации», т.е. при приемлемом уровне ковкости. Поскольку же прочность и ковкость имеют обратную зависимость одна от другой, что типично практически для всех способных к закалке металлических систем, обычно для того, чтобы получить сплав, который был бы пригоден для применения в разных областях техники, приходится искать компромисс между прочностью и ковкостью. Стандартная (одноосевая) способность к растяжению обычно описывается четырьмя свойствами, определяемыми в стандартном тесте на растяжение: предел текучести (YS), предел прочности на растяжение (UTS, обычно называемый просто прочностью на растяжение), % удлинения (%EI) и % уменьшения площади (%RA). Первые две величины обычно приводятся в единицах типа ksi (тысячи фунтов на квадратный дюйм, или в кг/см2), а последние две (обе являющиеся мерами ковкости) даются просто в процентах. Еще одним часто упоминаемым связанным с растяжением свойством, особенно имеющим отношение к применению в области крепежных деталей, является сопротивление «двойному сдвигу», который также дается в единицах ksi (или кг/см2). Для этого свойства не определяется ни ковкость, ни предел текучести. Обычно сопротивление двойному сдвигу для титановых сплавов составляет приблизительно 60% от одноосевых пределов на растяжение, если при этом одноосевая ковкость остается достаточной. При желании сравнивать связанные с растяжением свойства разных сплавов, подвергнутых термообработке в определенных пределах комбинаций прочности на растяжение/ковкости, следует вначале проанализировать данные с помощью регрессионного анализа. Отношение прочность/ковкость можно обычно описать прямой линией в координатах x,y, где ковкость (выраженная либо в %EI, либо в %RA) является зависимой переменной, а прочность (обычно UTS) является независимой переменной. Названная прямая может быть описана простым уравнением: Уравнение 1: %RA=b-m(UTS), где m = угол наклона прямой, а b точка пересечения для нулевого значения прочности. [Примечание: при решении такого уравнения методом регрессионного анализа рассчитывается также параметр, носящий название «r в квадрате», который варьирует в пределах от нуля до единицы, где единица указывает на прекрасную аппроксимацию с уравнением для прямой линии, а нулевое значение указывает на отсутствие соответствия]. После составления такого уравнения оно может быть использовано, например, для сравнения рассчитанных значений ковкости при постоянном значении прочности даже в том случае, когда конкретные данные для этого значения прочности отсутствуют. Такая методология была использована в процессе всей разработки с целью классификации и сравнения сплавов. Следует также отметить, что при реализации проекта разработки важно иметь в виду, что на отношения прочность на растяжение/ковкость существенно влияет степень горячей обработки, которой может быть подвергнут металл при его превращении из расплавленного слитка в выработанный прокат (типа бруса). Это обусловлено тем фактом, что в процессе превращения в прокат происходит совершенствование макроструктуры, и чем совершеннее становится макроструктура, тем лучше отношение прочность/ковкость. Таким образом, специалистам совершенно ясно, что отношения прочность на растяжение/ковкость в небольших лабораторных плавках значительно ниже этих отношений в полномасштабных производственных плавках из-за довольно ограниченной степени совершенствования макроструктуры, сообщаемого небольшим лабораторным плавкам по сравнению с полномасштабными производственными плавками. Из-за практической невозможности получать полномасштабные плавки и превращать их в прокат в целях сравнения способности к растяжению, было решено производить менее крупные плавки лабораторного масштаба, как экспериментальных составов сплавов, так и составов существующих промышленных сплавов, сравнивая затем результаты на равноценной основе. Ключевой задачей является выбор промышленного сплава с исключительными свойствами. При разработке программы, результатом которой стало настоящее изобретение, в качестве базового промышленного сплава был выбран промышленный сплав, обозначенный Ti-17 (Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Cr-4Mo), с которым должны были сравниваться экспериментальные сплавы. Этот сплав был выбран благодаря его исключительному отношению прочность/ковкость, которые этот сплав демонстрировал в форме бруса.
Таблица 1 представляет данные по характеристикам растяжения и двойного сдвига для продукта в форме бруса из Ti-17 с диаметром 0,95 см, изготовленного из полномасштабной промышленной плавки в объеме 4536 кг. Сочетания приведенных в таблице прочности на растяжение, сопротивления сдвигу и ковкости являются определенно исключительными для титанового сплава. Отметим также, что усредненные значения сопротивления двойному сдвигу очень близки к упомянутому выше значению UTS 60%. Раскрытие изобретения Конечная цель разработки сплава состояла в том, чтобы разработать пригодный для термообработки Титановый сплав с указанными выше характеристиками растяжения обладает высокой утилитарностью. Однако его утилитарность могла бы стать еще выше, если бы он обладал бы также минимальным сопротивлением двойному сдвигу, равным, по меньшей мере, 7733 кг/см2. Хорошо известно, что подвергнутый термообработке титан (в частности Ti-6Al-4V) используется для аэрокосмических крепежных деталей, подвергнутых термообработке до гарантированного (т.е. минимального) сопротивления сдвигу 6679 кг/см2. Следующим уровнем сопротивления сдвигу, практикуемым в аэрокосмической промышленности, является минимум 7733 кг/см2 – уровень, который не достигается ни для одного из имеющихся на рынке титановых сплавов, но достижим в случае различных стальных сплавов. Таким образом, для того, чтобы титан мог обеспечить 40%-ный номинальный выигрыш в весе при замене стали на титан в какой-либо высокопрочной аэрокосмической крепежной детали, титановый сплав должен обладать минимальным сопротивлением двойному сдвигу, равным 7733 кг/см2. Для того чтобы добиться этого, учитывая обычный при тестировании разброс, типичные значения должны составлять, по крайней мере, приблизительно 8225 кг/см2. При упомянутой выше корреляции, в соответствии с которой титановые сплавы обладают сопротивлением двойному сдвигу, которое обычно составляет 60% от сопротивления сдвигу, для того чтобы получить область сопротивлений двойному сдвигу вблизи, по меньшей мере, 8225 кг/см2 (для обеспечения минимума 7733 кг/см2), этого можно было бы ожидать при обеспечении сопротивления сдвигу, по меньшей мере, 13709 кг/см2 (т.е. в пределах от 13709 до примерно 15115 кг/см2) при «приемлемой ковкости». Таким образом, программа имеет и дополнительную цель: не только добиться указанных выше характеристик растяжения, но также и сопутствующих им значений сопротивления двойному сдвигу для обеспечения целевого сопротивления двойного сдвига с минимальным значением 7733 кг/см2. Согласно изобретению предлагается сплав на основе Более конкретно, сплав может обладать указанным выше сопротивлением двойному сдвигу, равным, по меньшей мере, 7733 кг/см2. Сплав может, кроме того, обладать сопротивлением сдвигу, по меньшей мере, 13709 кг/см2. Более конкретно, прочность на растяжение может лежать в пределах от 13709 до 15115 кг/см2. Сплав на основе Более конкретно, согласно изобретению сплав на основе Этот сплав может обладать прочностью на растяжение выше 14060 кг/см2, ковкостью выше 20% RA и сопротивлением двойному сдвигу выше 7733 кг/см2. Осуществление изобретения Титановые сплавы согласно изобретению получали из лабораторных слитков с номинальными массой 45,36 кг и диаметром 11,4 см путем плавления с помощью двойной дуги в вакууме. Все слитки были тем же способом превращены в изделия в форме бруса с целью сведения к минимуму разброса свойств, обусловленного разницей в макроструктуре и/или микроструктуре. Была использована следующая последовательность операций: Штамповка в Определение температуры Прокатка Брус, подвергнутый термообработке при номинальной температуре, выбранной в пределах от 42 до 80°С ниже температуры Выдержка при разных температурах с целью создания ряда уровней прочность/ковкость. Для всего материала было установлено наличие собственной
В таблице 2 приводится ряд составов, которые получали при первой итерации плавок лабораторных масштабов. Эталонным составом Ti-17 является плавка V8226. Отметим, что в эталонном сплаве Ti-17 отсутствует добавка ванадия, нет специально добавленного кремния (0,014% Si относится к обычному «остаточному» уровню для титановых сплавов, к которым кремний не добавляется) и уровень кислорода в пределах от 0,08 до 0,13, что соответствует обычным промышленным техническим условиям для Ti-17. Остальные приведенные в таблице 2 составы представляют собой экспериментальные сплавы, которые отличаются от эталонного сплава Ti-17 добавками и модификациями. Одной из основных добавок является ванадий. Известно, что этот элемент характеризуется значительной растворимостью в
В таблице 3 приведены данные по одноосевому растяжению, полученные после первой итерации составов экспериментальных сплавов в таблице 2, которые были переработаны в брус и подвергнуты термообработке. В таблице 4 представлен регрессионный анализ данных таблицы 3. Первым пунктом, который должен быть отмечен, является сопоставление приведенных в таблице 3 характеристик растяжения материала Ti-17 (плавка Ti-17 лабораторного масштаба) с характеристиками, приведенными в таблице 2 (плавка Ti-17 производственного масштаба). Отметим, что рассчитанные значения для %EI плавок лабораторного масштаба составляют 78 и 83% от значений полноразмерных плавок при 13709 и 15115 кг/см2 соответственно, а рассчитанные значения для %RA составляют 67 и 62% при соответствующих прочностях. Эти данные четко подтверждают значительное ухудшение плавок лабораторного масштаба по сравнению с полноразмерными плавками и усиливают необходимость сравнивать результаты для плавок сопоставимых масштабов. Приведенные в таблице 4 результаты показывают, что плавка V8228 обеспечивает наилучшее сочетание ковкости и значений прочности от 13709 до 15115 кг/см2, намного более высокое, чем у эталонного сплава Ti-17. Действительно, по сравнению с эталонным сплавом Ti-17 значения %EI для плавки V8228 выше на 38 и 36%, а значения %RA выше на 46 и 51% при значениях прочности 13709 и 15115 кг/см2 соответственно намного выше намеченного улучшение на, по меньшей мере, 20%. Дальнейшее изучение данных таблицы 4 показывает, что во всех за исключением двух случаях экспериментальные сплавы из таблицы 2 демонстрируют улучшенные свойства по сравнению с эталонным сплавом Ti-17. Не показали улучшения по сравнению с эталонным сплавом Ti-17 только рассчитанные %RA для плавки V8227 при 13709 кг/см2 и %EI для V8229 при 15115 кг/см2. Из этих результатов делаются следующие выводы: Сплавы с добавками ванадия более эффективны по сравнению с теми же сплавами без ванадия. Эффективность добавки ванадия максимальна при его добавлении в количестве порядка 2,4%. Сплавы с повышенным уровнем кислорода более эффективны по сравнению со сплавами с пониженным уровнем кислорода. Добавление железа сверх примерно 0,5%, судя по всему, не дает преимуществ. Пониженное содержание алюминия (ниже примерно 4%), по-видимому, благоприятно. Все экспериментальные плавки имели несколько более высокое содержание кремния по сравнению с его содержанием в стандартном Ti-17 (предположительно по причине очень низкого содержания кремния в используемом в качестве компонента ванадиевом сплаве). Несколько более высокое содержание кремния не оказывало вредного действия.
Учитывая прекрасные характеристики, полученные для плавок первой итерации, было решено, что химический состав наилучшего сплава, а именно V8228, мог бы быть еще улучшен путем выполнения дополнительной итерации. В таблице 5 приведены плавки этой второй итерации. Первая плавка V8247 является в основном повторением плавки Н8228. Это дает меру воспроизводимости результатов. Остальные плавки второй итерации вносят следующие изменения в состав V8228/V8247: В плавке V8248 определяется до 0,222 мас.% кислорода – больше, чем в любой из плавок первой итерации. В плавке V8249 определяется более высокий уровень кислорода (0,208%) в сочетании с более высоким уровнем кремния – вдвое выше, чем в V8247. В плавке V8250 определяется только более высокий уровень кремния, т.е. без повышения уровня кислорода. В плавках V8251 и V8252 определяются более высокие уровни алюминия (приблизительно на 0,5% ниже, чем в V8547), в первом случае (V8251) при том же уровне кремния и во втором случае (V8252) при более высоком уровне кремния.
Плавки лабораторного масштаба второй итерации были обработаны, как было описано для плавок первой итерации. Были проведены также и тесты на растяжение, а результаты суммированы в таблице 6. Эти данные были проанализированы методом регрессионного анализа, а результаты приведены в таблице 7. Из таблицы 7 могут быть сделаны несколько выводов. Во-первых, корреляция между плавкой V8228 первой итерации и ее аналогом V8247 вполне удовлетворительна. Во-вторых, очевидно также, что сплав может выдерживать кислород до приблизительно 0,22% при низком уровне кремния, но наблюдается небольшое ухудшение свойств при более высоком уровне кремния в сочетании с более высоким уровнем кислорода. Повышенный уровень кремния, по-видимому, не приводит к значительному ухудшению свойств, если уровень кислорода находится в промежуточной области вблизи примерно 0,17%. Наконец, пониженные уровни алюминия (ниже примерно 3,2%) являются, по-видимому, причиной более низкого качества по сравнению с более высокими уровнями, что дает основание полагать, что алюминий следует поддерживать на уровне приблизительно 3,2%. Во всех плавках промежуточный уровень алюминия составляет 3,6-3,7% и во всех плавках уровни кремния либо низкие в сочетании с наивысшими уровнями кислорода, либо высокие или низкие в сочетании с промежуточными уровнями кислорода.
Общее среднее: 55,0% Для заключительного определения возможностей в отношении свойств полученных сплавов для тестирования на двойной сдвиг были выбраны четыре химических состава: плавка V8226 – эталонный сплав Ti-17; плавка V8228 – наилучшая из плавок первой итерации; плавка V8247 – аналог плавки V8228; и плавка V8250. Брусы из каждой плавки подвергали термообработке на несколько градусов ниже соответствующих значений температуры Из приведенных в таблице 8 данных может быть сделано несколько выводов. Во-первых, значения сопротивления двойному сдвигу плавок лабораторных размеров были близки к 55% от соответствующих значений UTS, причем эталонная плавка Ti-17 (V8226) обладает наиболее низким средним значением при 53,4%. Поскольку брус из промышленной плавки Ti-17 обладает средним значением сопротивления двойному сдвигу, равным 59,8% UTS, имеет место снижение на 6,4%, т.е. несколько более 10 относительных %, что связано с разницей между лабораторной и промышленной плавками. Как отмечалось выше в отношении ковкости, это не является неожиданным, если учесть отсутствие улучшения макроструктуры при небольших лабораторных плавках. Однако это показывает, что от составов лабораторных размеров можно было бы ожидать номинально на 10% более высоких значений, если бы они были приготовлены из более крупных промышленных плавок. Такое повышение могло бы привести приведенные в таблице 8 данные для лабораторных плавок в область значений сопротивления двойному сдвигу от 8225 до 9069 кг/см2, которые были бы достаточны для удовлетворения минимальной поставленной цели – 7733 кг/см2.
Формула изобретения
1. Сплав на основе 2. Сплав по п.1, отличающийся тем, что обладает ковкостью, характеризующейся относительным сужением более чем 20%. 3. Сплав по п.2, обладающий сопротивлением двойному сдвигу, равным 7733 кг/см2 (110 ksi). 4. Сплав по п.2, обладающий прочностью на растяжение от 13709 кг/см2 (195 ksi) до 15115 кг/см2 (215 ksi). 5. Сплав на основе 6. Сплав по п.5, обладающий прочностью на растяжение 14060 кг/см2 (200 ksi) и ковкостью, характеризующейся относительным сужением более чем 20%, и сопротивлением двойному сдвигу выше 7733 кг/см2 (110 ksi).
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
–
-титановый сплав, характеризующийся улучшенной ковкостью при высоких уровнях прочности по сравнению с имеющимися на рынке сплавами типа Ti-17, имеет следующий состав, мас.%: 3,2-4,2 Al, 1,7-2,3 Sn, 2-2,6 Zr, 2,9-3,5 Cr, 2,3-2,9 Мо, 2-2,6 V, 0,25-0,75 Fe, 0,01-0,8 Si, до 0,21 кислорода, Ti и случайные примеси – остальное. Сплав обладает ковкостью, характеризующейся относительным сужением более чем 20%, сопротивлением двойному сдвигу, равным 7733 кг/см2 (110 ksi), и прочностью на растяжение от 13709 кг/см2 (195 ksi) до 15115 кг/см2 (215 ksi). 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 8 табл.