ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРОВАНИЯ КИСЛОРОДОМ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРУТКОВ ИЗ ТИТАНА И СПЛАВА Ti-6Al-4V

1 Профессор, доктор технических наук, 2 Доцент, кандидат технических наук, 3 Доцент, кандидат технических наук, 1,3 Ступинский филиал ФГБОУ ВО «Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет)», 2 ФГБОУ ВО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)»

ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРОВАНИЯ КИСЛОРОДОМ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРУТКОВ ИЗ ТИТАНА И СПЛАВА Ti-6Al-4V

Аннотация

Исследовано влияние легирования кислородом до 0,4 % на механические свойства титана и его сплавов. Статистически установлено, что кислород повышает прочность без катастрофического снижения пластических характеристик.

Ключевые слова: титан и его сплавы, механические свойства, легирование кислородом

Egorova Yu.B. 1 , Davydenko L.B. 2 , Mamоnov I.M. 3

1 Professor, PhD in Engineering, 2 Associate professor, PhD in Engineering, 3 Associate professor, PhD in Engineering, 1,3 Stupino’s Branch of Moscow Aviation Institute (National Research University), 2 Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

INFLUENCE OF THE ALLOYING OXYGEN ON MECHANICAL PROPERTIES OF BARS FROM TITANIUM AND ALLOY OF Ti-6AL-4V

Abstract

Influence of an alloying by oxygen to 0,4% on mechanical properties of the titanium and his alloys is investigated. It is statistically established that oxygen increases durability without catastrophic decrease in plastic characteristics.

Keywords: titanium and its alloys, mechanical properties, alloying oxygen

В последние годы кислород стали считать не вредной примесью, а полезной и дешевой легирующей добавкой, повышающей прочность титановых сплавов без существенного снижения пластичности (в интервале концентраций 0,1-0,3%[1]) [1]. В настоящее время на предприятиях отрасли около половины всех выплавляемых слитков легируется кислородом.

В данной работе были проведены статистические исследования химического состава слитков и механических свойств кованых прутков сечением 14х14 мм технического титана марок ВТ1-00, ВТ1-0, Grade 2, Grade 4 и титанового сплава Ti-6Al-4V (ВТ6, Grade 5), изготовленных с 1970 по 2011 г. по промышленной технологии. Слитки были выплавлены методом вакуумного дугового переплава как без легирования кислородом, так и с добавлением в шихту рутила. Все исследованные полуфабрикаты были подвергнуты отжигу по стандартным режимам. Механические испытания проводили в соответствии с ГОСТ 1497-61, ГОСТ 1497-84, ГОСТ 9454-78, ASTM E 8. Анализ соответствия химического состава и механических свойств полуфабрикатов требованиям нормативной документации, а также статистическую оценку их стабильности, проводили в соответствии с рекомендациями ГОСТ 50779 и требованиями руководства сертификационного центра «Материал» Р СЦМ-04-2010 «Оценка качества авиационных материалов/полуфабрикатов при сертификации их производства». Статистическую обработку проводили с помощью ППП «Stadia» [2].

Проведенные статистические исследования химического состава слитков показали, что с 1970-х гг. по 2011 гг. произошло значимое изменение содержания алюминия и примесей внедрения (табл. 1, 2). Среднее содержание алюминия повысилось в среднем на 0,35-0,4%, а кислорода и азота уменьшилось почти в два раза: с 0,11 до 0,06 %м. и 0,02 до 0,01 % соответственно [3-5].

Таблица 1 – Среднее содержание примесей (%) в слитках титановых сплавов, выплавленных с 1970 по 2011 гг. без микролегирования кислородом

Сравнение механических свойств кованых прутков, изготовленных из слитков без дополнительного легирования кислородом, показало, что в 2000-х гг. временное сопротивление разрыву уменьшилось в среднем на 50-100 МПа по сравнению с 1970-ми гг., при этом значения относительного удлинения и ударной вязкости повысились. Это может быть обусловлено повышением чистоты титановой губки и снижением ее твердости и предела прочности.

Таблица 2 – Механические свойства кованых прутков 14х14 мм из технического титана и сплава Ti-6Al-4V (в отожженном состоянии)

Примечание: * – с дошихтовкой рутилом.

Для того чтобы компенсировать потерю прочности сплавов, большинство исследованных полуфабрикатов были легированы алюминием по верхнему пределу, а часть слитков была выплавлена с дошихтовкой рутилом. Для полуфабрикатов, изготовленных в 1999-2011 гг. и легированных кислородом, значения предела прочности сопоставимы с данными 1970-80-х гг. (табл. 2) Например, легирование кислородом приводит к повышению прочности прутков технического титана до 810 МПа, а сплава Ti-6Al-4V до 1100 МПа. При этом значения пластичности довольно высоки и не достигают минимальных значений, не допустимых для условий эксплуатации (δ≥10%, ψ≥25% для Grade4 и Ti-6Al-4V). В работе была проведена теоретическая оценка влияния содержания алюминия и примесей внедрения на уровень механических свойств прутков (табл. 3).

Таблица 3 – Коэффициенты упрочнения и интенсивность снижения пластических свойств титана при введении 1% (по массе) легирующего элемента [6-9]

В интервале концентраций 2-7% увеличение содержания алюминия на 1 % приводит к повышению прочности в среднем на 55-65 МПа, снижению относительного удлинения на 1-2%, поперечного сужения на 2-3% [6-9]. В то же время увеличение или уменьшение содержания кислорода сопровождается существенным изменением прочности и пластичности. В области малых концентраций (до 0,15%) повышение содержания кислорода на 0,1% приводит к увеличению прочности на 125 МПа (или 1250 МПа/% м.). Если же кислород вводится как легирующий элемент (более 0,15 %), то его упрочняющее действие намного меньше и составляет 700-850 МПА/% м. Теоретические расчеты, подтвержденные результатами статического анализа механических свойств прутков, показывают, что легирование кислородом является более эффективным способом повышения прочности сплавов по сравнению с алюминием. Это дает возможность разрабатывать сплавы экономного легирования на основе стандартных марок технического титана, для изготовления которых можно использовать низкосортную губку и рутил. Вместе с тем, содержание кислорода должно быть ограничено определенными пределами, так как при концентрациях более