RU2661304C1 - Method of estimating energy capacity of titanium alloy - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: parameter σ_0.2/σ_B is determined, and an alloy is selected: with parameter τ₃ ²/G more than 17, τ₃ ²/ρG more than 3.7, σ_0.2/σ_B within 0.89-0.96, tensile strength at break σ_B not less than 1500 MPa, maximum tangential stress at torsion is not τ₃ at least 900 MPa, fine-dispersed microstructure with globular size of 1-10 mcm martensite type with smaller substructural components on periphery with presence of discrete grains of globular particles of primary α-phase at boundaries of individual grains, where σ_0.2 is a yield point, MPA; G is a modulus of elasticity at shear, MPA; ρ density, g/cm³.

EFFECT: simplified estimation of elastic properties of titanium alloys and improved reliability of estimation of energy capacity of titanium alloys which passed technological modes of deformation and heat treatment.

3 tbl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к способам оценки энергоемкости титановых сплавов по их механическим свойствам и определение, по полученным величинам, пригодности данных сплавов для изготовления упругих элементов.The invention relates to methods for evaluating the energy intensity of titanium alloys by their mechanical properties and determining, by the obtained values, the suitability of these alloys for the manufacture of elastic elements.

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.Elastic elements, on the one hand, as products, have a huge assortment, on the other hand, according to operating conditions, for each specific case, must have a set of properties that satisfy these conditions. From this point of view, for the release of elastic elements that are different from each other, it is necessary that the material of the elastic element has a certain set of necessary elastic properties and a set of sufficient material properties that satisfy various operating conditions.

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).A known method of selecting high-strength titanium alloys for the manufacture of elastic elements by the ratio of the elastic limit σ is _0.002 , when the permanent deformation is 0.002% of the elastic modulus E-σ _0.002 / E. The value of σ _0.002 / E should be maximum and not lower than 0.5⋅10 ² . (Fedorovich VA "Maraging steel - a material for elastic elements", Metallurgy and heat treatment, 1988, No. 10).

Недостаток данного метода заключается в сложности получения данных характеристик, отсутствии их в технической литературе для большого класса материалов.The disadvantage of this method is the difficulty of obtaining these characteristics, their absence in the technical literature for a large class of materials.

Известно техническое решение определения энергоемкости титановых пружин по параметру (τ₃ ²/G или τ₃ ²/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.A technical solution is known for determining the energy intensity of titanium springs by the parameter (τ ₃ ² / G or τ ₃ ² / ρG). These parameters should be maximum. (Belogur VP "Elastic elements from titanium alloys." Springs. Scientific and Technical Journal, 2016, No. 1, pp. 12-14). This technical solution was made as a prototype.

Недостаток данного технического решения заключается в том, что не определены предельные значения параметров, наиболее точно характеризующие энергоемкость титанового сплав для изготовления упругих элементов.The disadvantage of this technical solution is that the limit values of the parameters that most accurately characterize the energy intensity of the titanium alloy for the manufacture of elastic elements are not defined.

Задачей заявляемого технического решения является повышение надежности оценки энергоемкости титановых сплавов для упругих элементов.The objective of the proposed technical solution is to increase the reliability of the assessment of energy intensity of titanium alloys for elastic elements.

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.The technical result achieved in the process of solving the problem is to simplify the assessment of the elastic properties of titanium alloys and to increase the reliability of assessing the energy intensity of titanium alloys that underwent technological deformation and heat treatment.

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: The specified technical result is achieved by the method of assessing the energy intensity of a titanium alloy for elastic elements, including determining the parameters, while additionally determining the parameter σ _0.2 / σ _B , and as the optimal ratio of values for evaluating the energy intensity of the alloy, choose the following values of the ratios of these parameters:

τ₃ ²/Gτ ₃ ² / G более 17more than 17 τ₃ ²/ρGτ ₃ ² / ρG более 3,7more than 3.7 σ_0,2/σ_B σ _0.2 / σ _B в пределах 0,89-0,96within 0.89-0.96 σ_B σ _B не менее 1500 МПаnot less than 1500 MPa τ₃ τ ₃ не менее 900 МПа,not less than 900 MPa,

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.where σ _0.2 is the yield strength, MPa; σ _B - ultimate strength, MPa; τ ₃ - maximum shear stress during torsion, MPa; G is the shear modulus, MPa; ρ is the density, g / cm ³ . The alloy should have a finely dispersed microstructure with a globule size (1-10) μm martensitic type with smaller substructural components at the periphery with the presence of globular particles of the primary α phase along the boundaries of individual grains.

Результаты значений τ₃ ²/G, τ₃ ²/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).The results of the values of τ ₃ ² / G, τ ₃ ² / ρG for some alloys are shown in table 1. (Belogur VP, "Elastic elements from titanium alloys." Springs. Scientific and technical journal, 2016, No. 1, p. 12-14).

Максимально допускаемое напряжение пружины τ₃ тем выше, чем больше предел прочности сплава. В свою очередь, чем выше τ₃, тем выше энергоемкость пружины (τ₃ ²/G или τ₃ ²/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.The maximum allowable spring stress τ ₃ the higher, the greater the tensile strength of the alloy. In turn, the higher τ ₃ , the higher the energy intensity of the spring (τ ₃ ² / G or τ ₃ ² / ρG). Analysis of the data in table 1 shows that the alloy Ti-6Al-4V with low energy intensity parameters is not suitable for the manufacture of elastic elements. At the same time, the high-strength titanium alloy Ti-βC is suitable for use as a spring material. But the effectiveness of its application will not be high, since the strength of this material is low, significantly less than 1500 MPa.

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, τ₃ ²/G более 17, τ₃ ²/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.The authors of this technical solution conducted studies of various alloys, as well as an analysis of the available literature data, it was found that the set of proposed parameters for assessing the energy intensity of titanium alloys with parameters σ_0.2/ σ_B, in the range of 0.89-0.96, σ_B not less than 1500 MPa, τ₃ ²/ G over 17, τ₃ ²/ ρG over 3.7 and τ₃ not less than 900 MPa is sufficient to decide on the use of this alloy as a material for elastic elements, since in the spring during operation the material works on twisting. Moreover, the larger the value of these parameters, the greater the elasticity and energy intensity of the material.

Совокупность данных параметров позволяет быстро и корректно оценивать эффективность технологических режимов деформации и термообработки титановых сплавов.The combination of these parameters allows you to quickly and correctly evaluate the effectiveness of technological modes of deformation and heat treatment of titanium alloys.

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.The energy intensity of the titanium-based alloy, as well as its fatigue strength, depend on the specific composition of chemical elements and the modes of mechanical and heat treatments. Changing the modes of mechanical and heat treatments for a particular chemical composition of the alloy leads to a change in the structure and to a change in the size and growth rate of the grain, and, as a consequence, in a change in the strength and fatigue properties.

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.%:The proposed method for assessing energy intensity was used in the development of an alloy based on titanium for elastic elements containing aluminum; molybdenum; vanadium; iron; carbon; hydrogen; oxygen; nitrogen; silicon; zirconium; titanium the rest, in the following ratio of components, wt.%:

Алюминий Aluminum 3,85-4,053.85-4.05 Молибден Molybdenum 4,5-5,54,5-5,5 Ванадий Vanadium 5,05-5,55.05-5.5 Железо Iron ≤0,5≤0.5 Углерод Carbon ≤0,1≤0.1 Водород Hydrogen ≤0,015≤0.015 Кислород Oxygen ≤0,15≤0.15 Азот Nitrogen ≤0,05≤0.05 Кремний Silicon ≤0,15≤0.15 Цирконий Zirconium 0,35-0,50.35-0.5

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 τ₃ ²/G или, τ₃ ²/ρG, σ_0,2/σ_B показало, что энергоемкость сплава по параметру τ₃ ²/G равна 20, а параметру τ₃ ²/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,This alloy has a uniform, finely dispersed microstructure with a globule size (1-10) microns of the martensitic type with smaller substructural components at the periphery with the presence of globular particles of the primary α phase along the boundaries of individual grains. The determination of the parameters τ ₃ ² / G or, τ ₃ ² / ρG, σ _0.2 / σ _B showed that the energy consumption of the alloy by the parameter τ ₃ ² / G is 20, and the parameter τ ₃ ² / ρG is 4.7, the limit torsional strength τ ₃ is 900 MPa, tensile strength σ _B = 1500 MPa, with a ratio of σ _0.2 / σ _B equal to 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.According to the proposed energy intensity parameters, the chemical elements of the titanium alloy were optimized. The method of triple vacuum arc remelting produced ingots with a diameter of 450 mm with different contents of chemical elements, and then turned to 420 mm; heated to a temperature of 960 ° C in a gas furnace and forged to a diameter of 115 mm The resulting preform was machined to remove the alpha layer.

Химический состав слитков представлен в табл.2.The chemical composition of the ingots is presented in table 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%.Before hot extrusion, the preforms were coated with a colloidal graphite preparation of the NPK grade, dried. The preforms were heated in the PN-15 furnace at a temperature of 960 ± 20 ° C and a holding time of 90-120 min. Several blanks were prepared. Hot billets were squeezed into water at a degree of deformation of 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.Next, each bar was machined to the required diameter in order to further conduct cold deformation. For example, in order to ultimately obtain a wire with a diameter of ∅14.5 mm, with a degree of cold deformation of 73%, a workpiece with a diameter of ∅28.1 mm was taken. This preform was obtained by turning from an extruded rod of 31.5 mm.

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.Next, cold deformation was carried out with a degree of 23-73% and a final wire of the required diameter was obtained, then aging was carried out at a temperature of 390-490 ° C for 2-8 hours.

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.Samples for torsion tests were made with a length of 150 mm, in the form of a cylindrical rod, full-size, without grooves in the working part. Heat treatment was carried out in a laboratory resistance furnace SNOL 12/16.

Микроструктурные исследования сплава выполняли на электронном микроскопе. Результаты исследований представлены на фиг. 1.Microstructural studies of the alloy were performed using an electron microscope. The research results are presented in FIG. one.

Рентгенофазный анализ состава осуществляли при съемке монолитного образца на дифрактометре ДРОН-3 с монохроматическом СuK_α - излучением. Результаты исследований представлены на фиг. 2.X-ray phase analysis of the composition was carried out when shooting a monolithic sample on a DRON-3 diffractometer with monochromatic CuK _α radiation. The research results are presented in FIG. 2.

Исследования механических свойств на растяжение и кручение проводили на универсальной крутильно-разрывной машине МИ-40КУ, совмещенной с ПК.The study of tensile and torsional mechanical properties was carried out on a MI-40KU universal torsion-tensile testing machine combined with a PC.

Результаты исследований представлены в таблице 3The research results are presented in table 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,The alloys 3-5 obtained according to the technology described above have a uniform, finely dispersed microstructure with a globule size of 1-5 μm martensitic type with smaller substructural components at the periphery with the presence of globular particles of the primary α phase along the boundaries of individual grains, mainly from orthorhombic martensite α '', the energy consumption of the alloy by the parameter τ ² / G is more than 17, and the parameter τ ² / ρG is more than 3.7, the tensile strength is not less than 900 MPa, the tensile strength is not less than 1500 MPa, with the ratio σ _0.2 / σ _B not less than 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.The proposed method for assessing energy intensity by a combination of parameters and their optimal values can be used to evaluate materials suitable for the manufacture of elastic elements (springs, torsion bars, clamps, membranes, etc.). These parameters of the titanium alloy are achieved through strict control over the chemical composition of the alloy and compliance with the modes of mechanical and heat treatments. Thus, the application of the proposed method allows to increase the manufacturability of manufacturing products, increase the reliability of assessing the energy intensity of titanium alloys for elastic elements, reduce the time of evaluating the elastic properties of titanium alloys without conducting lengthy field tests, and also evaluate the elastic properties of titanium alloys depending on the technological deformation modes and heat treatment.

Claims (8)

Способ оценки энергоемкости титанового сплава для упругих элементов, включающий определение механических свойств, структуры сплава, параметров τ₃ ²/G или τ₃ ²/ρG, отличающийся тем, что дополнительно определяют параметр σ_0,2/σ_B и выбирают сплав с:A method for evaluating the energy intensity of a titanium alloy for elastic elements, including determining the mechanical properties, alloy structure, parameters τ ₃ ² / G or τ ₃ ² / ρG, characterized in that it further determines the parameter σ _0.2 / σ _B and select an alloy with: параметром τ₃ ²/G более 17,parameter τ ₃ ² / G more than 17, параметром τ₃ ²/ρG более 3,7,parameter τ ₃ ² / ρG more than 3.7, отношением σ_0,2/σ_B в пределах 0,89-0,96,the ratio of σ _0.2 / σ _B in the range of 0.89-0.96, пределом прочности на разрыв σ_B не менее 1500 МПа,tensile strength σ _B not less than 1500 MPa, максимальным касательным напряжением при кручении τ₃ не менее 900 МПа,maximum shear stress torsion τ ₃ not less than 900 MPa, 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,a finely dispersed microstructure with a globule size of 1-10 μm martensitic type with smaller substructural components at the periphery with the presence of globular particles of the primary α-phase along the boundaries of individual grains, где σ_0,2 - предел текучести, МПа; G - модуль упругости при сдвиге, МПа; ρ - плотность, г/см³.where σ _0.2 is the yield strength, MPa; G is the shear modulus, MPa; ρ is the density, g / cm ³ .

Images