И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к созданию низколегированных титановых сплавов на основе титана, обладающих жаропрочностью и термической стабильностью, и может быть использовано для изготовления изделий, длительно работающих при высоких температурах, в частности компонентах выхлопных систем двигателей транспортных средств.

В различных коммерческих применениях, например, производство двигателей внутреннего сгорания и выхлопных систем, сплавы на основе титана используются в производстве компонентов для них, таких как впускные и выпускные клапаны, корпуса, рабочая крыльчатка турбины, трубы и баки. Во многих из этих применений компоненты двигателей, в частности выхлопных систем, изготовленные из низколегированных сплавов на основе титана, подвергаются рабочим температурам порядка 500-800°С. Поэтому эксплуатационные свойства сплавов, такие как жаропрочность и стойкость к окислению, являются приоритетными. Кроме того, используемый материал должен обладать достаточной технологической пластичностью, потому что компоненты, в основном, изготовляют холодной формовкой из листового проката и путем изгиба сварных труб.

По мере того как конструкторы двигателей внутреннего сгорания повышают эффективность работы двигателей, соответственно, повышаются такие характеристики как давление наддува, степень сжатия и рабочие температуры. Повышение уровня указанных характеристик приводит к потребности в материалах, которые будут сопротивляться деформации (ползучести) при более высоких рабочих температурах и давлениях в камере сгорания и выхлопной системе, чем в настоящее время достижимы традиционными низколегированными титановыми сплавами. Ползучесть, представляющая собой склонность твердого материала к медленному смещению или остаточной деформации под воздействием нагрузок, возникает, когда металл подвергается постоянной растягивающей нагрузке при повышенной температуре. Высокое сопротивление ползучести позволяет эксплуатировать материал длительное время без искажения формы и размеров, при этом важно сохранение уровня первоначальных свойств материала.

Следовательно, востребованными являются материалы, обладающие, кроме их низкой цены, как можно большим сочетанием высоких значений механических и эксплуатационных свойств.

Известен стойкий к окислению высокопрочный титановый сплав, состоящий в основном из, масс.%: от 0,2 до менее 0,5 железа, от 0,02 до менее 0,12 кислорода, от 0,15 до 0,6 кремния и остальное - титан и случайные примеси. При этом сплав дополнительно содержит, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, состоящей из Al, Nb, V, Mo, Sn, Zr, Ni, Сг и Та, с общим содержанием менее 1,5 (Патент США №7767040, публ. 03.08.2010, МПК С22С 14/00).

Сплав имеет высокие пластические свойства, однако обладает пониженной стойкостью к высокотемпературному окислению.

Известен низколегированный титановый сплав, обладающий превосходной стойкостью к высокотемпературному окислению и коррозии, используемый в качестве материала выхлопной системы для транспортного средства или мотоцикла и содержащий, масс.%, Al: 0,30-1 ,50%, Si: 0, 10-1 ,0% и дополнительно содержащий Nb: 0,1-0, 5 (Патент США №7166367, публ. 23.01.2007, МПК В32В 15/01 ; С22С 14/00, F01N7/16) - прототип.

Сплав обладает высокими прочностными и пластическими свойствами при комнатной и повышенной температуре, однако имеет недостаточный уровень сопротивления высокотемпературной ползучести.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание низколегированного титанового сплава с возможностью изготовления из него широкой номенклатуры изделий, в том числе используемых в компонентах двигателей и выхлопных системах транспортных средств.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении изобретения, является получение титанового сплава, обладающего комплексом высоких механических и эксплуатационных свойств, включая повышенный уровень сопротивления ползучести, с возможностью формовки в холодном состоянии.

Технический результат достигается тем, что предложен сплав на основе титана, содержащий алюминий, молибден, кремний, кислород, азот, железо, водород, при этом компоненты сплава взяты в следующем соотношении, масс.%: Алюминий 1,5-3, 0 Молибден 0, 1-0,5 Кремний 0, 1-0,6 Железо не более 0,2

Кислород не более 0,15

Углерод не более 0,1

Азот не более 0,03 Водород не более 0,015

Титан и неизбежные примеси - остальное, а также в одном из вариантов дополнительно содержащий медь 0,5-1 ,5 масс. %, и изделие из этого сплава.

В состав сплава введены легирующие элементы из различных групп стабилизаторов: альфа-стабилизаторы: алюминий, кислород, углерод, азот; бета-стабилизаторы: молибден, железо, кремний. В одном из вариантов изобретения в сплав введен бета-стабилизатор - медь.

Алюминий повышает жаропрочность и сопротивление ползучести, уменьшая образование окалины при высокой температуре. Содержание алюминия в сплаве принято от 1, 5-3,0 масс.%. Для сохранения оптимальной технологической пластичности максимальное содержание алюминия в сплаве ограничено 3,0 масс.%.

Содержание кислорода, азота и углерода в указанных пределах, наряду с повышением прочности, повышает температуру аллотропического превращения титана и обеспечивает сохранение высокого уровня прочности и пластичности. Более высокие концентрации кислорода, углерода и азота понижают технологическую пластичность и ударную вязкость сплава.

Группа бета-стабилизаторов (Mo, Fe, Si, Си).

Легирование сплава молибденом в количестве 0,1 -0,5 масс.%. способствует повышению прочности за счет появления в структуре прослоек [3-фазы, которые являются межфазными границами и тормозят движение дислокаций при деформации, а также препятствуют собирательному росту a-зерен при высоких температурах. Содержание молибдена более 0,5 масс.%. снижает жаропрочность, поскольку уменьшается температура полиморфного превращения сплава и увеличивается доля [3-фазы в структуре.

Наличие в сплаве кремния, который присутствует в твердом растворе титана, повышает сопротивление ползучести. Содержание кремния в сплаве установлено в диапазоне от 0,1 до 0,6 масс. %. В указанном диапазоне кремний образует с титаном интерметаллидное соединение - силицид (Ti ₃ Si). Образование в сплаве необходимого количества силицидов повышает жаропрочность, сопротивление ползучести и препятствует росту a-зерен при высоких температурах. Кроме того, кремний существенно повышает стойкость к окислению сплава до концентрации 0,6 масс %. При большей концентрации снижается технологическая пластичность/формуемость.

Сплав может быть дополнительно легирован медью. Медь, являясь эвтектоидообразующим элементом и имея при этом высокую растворимость в альфа-фазе титана, обеспечивает эффект твердорастворного упрочнения. Образование интерметаллидных частиц Ti ₂ Cu, ограничивая миграцию границ при высокой температуре, позволяет увеличить жаропрочность сплава, однако чрезмерное количество частиц фазы Ti ₂ Cu снижает пластичность сплава при комнатной температуре, поэтому содержание меди в предлагаемом сплаве определено не более 1,5 масс %.

Максимальное содержание водорода в сплаве, ограниченное 0,015 масс.%, позволяет избежать охрупчивания сплава по причине возможного образования гидридов титана.

Композиция элементов, введенных в состав сплава в заявляемом соотношении и характеризующихся в отдельности благоприятным влиянием на стойкость к окислению титана, позволяет достичь аддитивного эффекта в части получения высоких значений сопротивления ползучести сплава при обеспечении прочностных, пластических свойств в сочетании с удовлетворительной стойкостью к окислению по отношению к известным низколегированным титановым сплавам.

Промышленная применимость изобретения подтверждается примером его конкретного выполнения.

Для исследования свойств предлагаемого сплава были выплавлены 2 состава слитков массой 2100 кг по промышленной технологии методом вакуумно-дугового переплава. Химический состав №1 и химический состав №2 сплава приведены в табл. 1.

Табл.1

Слитки подвергали деформированию ковкой и последующей прокатке с получением рулонов толщиной 0,9 мм. Для исследования механических свойств сплавов осуществляли вырезку образцов в состоянии поставки. Для анализа механических свойств проводили испытания на растяжение при температурах 20°С, 500°С, 700°С, для оценки критерия штампуемости материала проводили испытания на глубокую вытяжку по Эриксену. Значения механических свойств сплава при растяжении в состоянии поставки (отожженное состояние) приведены в табл.2 и сравнительном графике, представленном на фиг. 1.

Табл.2

Для моделирования работы материала при эксплуатации в изделии проводили изотермический отжиг образцов обоих составов в статическом лабораторном воздухе при температурах 560°С и 800°С с продолжительностью выдержки 100 и 200 часов соответственно. После чего осуществляли исследование стойкости к окислению посредством расчета привеса массы образцов, выраженного в мг/см ² . Результаты исследований стойкости к окислению в сравнении со сплавом-прототипом приведены на графиках зависимости привеса сплавов от квадратного корня из времени окисления при температурах 560°C и 800°C, представленных, соответственно, на фиг. 2 и фиг. 3.

Кроме того, на образцах сплава в состоянии поставки определяли сопротивление ползучести при температуре 500°С и длительности 100 часов, выраженное в зависимости относительной деформации образца при напряжении ЗОМПа. Результаты сопротивления ползучести заявляемого сплава в сравнении со сплавом-прототипом приведены на графике, представленном на фиг. 4.

Анализ результатов испытаний и данных исследований показал, что предлагаемый сплав обладает комплексом высоких механических и эксплуатационных свойств, включая сопротивление высокотемпературной ползучести по отношению к известным низколегированным сплавам. Результаты оценки сопротивления окислению образцов сплава после длительного изотермического отжига демонстрируют долговечность материала.