CC BY
36
II КОНСТРУКЦ1ЙН1 I ФУНКЦЮНАЛЬН! МАТЕР1АЛИ
УДК 669.29
Канд. техн. наук А. В. Овчинников1, С. И. Давыдов1, Л. Я. Шварцман2,
К. Л. Феофанов2, Н. И. Высоцкая1
Национальный технический университет, 2Титано-магниевый комбинат,
г. Запорожье
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
В работе раскрыт вопрос легирования титана губчатого кислородом. Предложена новая технология легирования титана губчатого кислородом путем его введения в реакционную газовую среду аппарата восстановления через аргон. Установлено, что наиболее оптимальные механические свойства имеет титан с содержанием кислорода в пределах 1,0... 1,5 %. Указанные концентрации кислорода входят в допустимый диапазон регламентированный стандартом для титановых сплавов.
Актуальность
В последние годы все более широкое распространение получают экономнолегировнные титановые сплавы, в которых содержание дорогостоящих легирующих элементов заменено дешевыми элементами. В ряде случаев «дешевые » легирующие элементы относятся к сопутствующим примесям в титане (O2, C, Si, Fe, Cu, Ni). К таким сплавам можно отнести сплавы серии «Low - cost», которые помимо других элементов содержат до 0,5 % кислорода. Для указанных сплавов требуются специальные кислородосодержа-щие лигатуры [1, 2]. На ряду со сплавами «Low - cost», кислородосодержащие лигатуры требуются и для ряда промышленных титановых сплавов, где до недавнего времени при их выплавке использовали лом титана [2]. Титан губчатый, который является основой титановых сплавов, имеет концентрации кислорода в пределах 0,05...0,08% (ТГ100, ТГ120), что до 2 раз ниже, чем в титановых сплавах, а в сравнении со сплавами «Low -cost» до 10 раз. Применение кислородосодержащих лигатур приводит к ряду технологических трудностей, в том числе неравномерному распределению кислорода в объеме металла. Одним из путей выхода из создавшейся ситуации является искусственное увеличение содержания кислорода непосредственно в титане губчатом. Однако известные технологии «легирование кислородом» достаточно сложные и имеют ряд недостатков [1, 4].
Известная технология легирования титана губчатого при восстановлении с помощью тетрахлорида титана не лишена недостатков [4]. В первую очередь, это нелинейная зависимость между содержанием кислорода в тетрахлориде и в титане губчатом, а также
невысокий коэффициент перехода (в среднем 40 %) Другим отрицательным моментом такой схемы является сопутствующее содержание примесей (сероуглерод, фосген, углеводороды), а также ванадия повышенное содержание которого, в ряде случаев, является отрицательным моментом.
На базе Запорожского титано-магниевого комбината (ЗТМК) совместно с институтом «Титана» при участии Запорожского национального технического университета разработана технология легирования титана губчатого кислородом путем его введения в газовую среду аппарата восстановления через аргон. К преимуществам этого метода относятся: простота реализации процесса легирования, практически отсутствие сопутствующих примесей и высокая степень перехода кислорода из газовой фазы в титан губчатый, на уровне 76,1 %...98,5 %. В тоже время, недостаточно изучено распределение кислорода в титановых сплавах, полученных на основе «легированного» титана губчатого (с искусственно повышенным содержанием кислорода), а также его влияние на механизмы разрушения и механические свойства сплавов.
В настоящей работе рассмотрены вопросы связанные с влиянием содержания кислорода в титане губчатом производства ЗТМК на структурообразование, механизмы разрушения и механические свойства технического титана.
Методика
Легирование титана губчатого кислородом обеспечивали путем его введения в реакционную газовую среду аппарата восстановления через аргон по технологии разработанной в институте «Титана» совмест-
© А. В. Овчинников, С. И. Давыдов, Л. Я. Шварцман, К. Л. Феофанов, Н. И. Высоцкая, 2007
56
но с Запорожским титано-магниевым комбинатом (технология патентуется).
Сплавы исследовали в литом состоянии, используя для изготовления опытных образцов середину выплавленных слитков. Определение химического состава и исследование структуры проводили энергодисперсионным реттеноспекгральным методом на растровом электронном микроскопе в8М-6360ЬЛ, а также с использованием оптического микроскопа с цифровой фотокамерой. Для учета влияния технологии выплавки на состав и свойства литого легированного титана параллельно исследовали марочный титан губчатый ТГ 100 (ГОСТ 17746-96, ДСТУ 3079-95). Плавка брикета из губчатого титана проводилась в вакуумной дуговой печи мощностью до 12 кВт на плоском медном водо-охлаждаемом поддоне в атмосфере аргона нерасходу-емым вольфрамовым электродом.
Основные технологические параметры плавки:
- давление аргона - 0,05 МПа;
- сила тока - 400 А;
- напряжение - 30 В;
- вакуум в печи перед подачей аргона - 0,71 Па;
- натекание 0,2.. .0,26 Па.
Результаты и их обсуждение
Анализ структуры слитков титана показал, что они имели типичную структуру представленную а -фазой, характерную для литых титановых сплавов полученных при быстром охлаждении (рис. 1).
б
Рис. 1. Структура титановых слитков, х 200: а - на основе титана губчатого марки ТГ100; б - на основе титана губчатого с содержанием кислорода до 0,30 %
Кислород имеет достаточно высокую растворимость в твердом растворе а -фазы, которая при комнатной температуре может составлять более 2 % по массе. Поэтому в структуре титана в области концентраций 0,05.0,30 % практически нет изменений. Согласно анализу данных рентгеноспектрального энергодисперсионного анализа распределение примесей имеет равномерный характер (рис. 2).
Из представленных данных видно, что по границам а -пластин и в месте нахождения включений имеются всплески содержания кислорода и азота.
Наличие включений, по-видимому, является следствием повышенного содержания кислорода и азота вносимого с газонасыщенными кусками губки и нарушением технологии выплавки слитков из-за малого объема выплавляемого металла.
Анализ распределения примесей, проведенный энергодисперсионным рентгеноспектральным методом в точке, показал наличие повышенного содержания азота во включениях (рис. 3).
Принимая во внимание большую термодинамическую вероятность образования соединения титана с кислородом и азотом можно сделать вывод, что в структуре титана имеют место выделения нитридов и оксидов титана. Размер этих включений находится в диапазоне от 1 мкм до 8 мкм (см. рис. 3, а; б). Включения располагались по границам зерен, субзерен и в меньшей степени находились в прослойках между а-пластинами(см. рис. 3, а). При этом размер включений составляет около 2 мкм. Такое распределение включений имеет логичное объяснение, так как именно в наиболее дефектных областях структуры возникает повышенная концентрация примесей, которые образуют химические соединения титана с указанными элементами внедрения. В значительно меньшей степени наблюдаются включения размеров до 8 мкм, которые располагаются в объеме зерен первичной в -фазы, не имея строгой привязки к границам структурных составляющих (см. рис. 3, б).
В целом можно сделать вывод, что повышение концентрации кислорода практически не влияет на основные структурные составляющие (размер первичных в -зерен, на размеры и морфологию составляющих их а-пластин). Незначительное влияние кислород оказал на количество включений, которые в свою очередь можно разделить на возникающие в результате незначительных концентрационных ликваций и включения, возникающие в результате недостатков технологии получения слитков, в т. ч. крупные концентрационные ликвации образовавшиеся от дефектных газонасыщенных кусков титана губчатого.
Таким образом, отличие в концентрации включений между техническим титаном и легированным титаном практически отсутствует, а крупные включения до 8 мкм носят единичных характер и не должны негативно повлиять на механизм разрушения титана. Это подтвердили данные механических испытаний (рис. 4).
Из анализа результатов механических испытаний
1607-6885 Новi матерiали i технологи в металургп та машинобудувант №2, 2007
57
■■-125 gm Ti К
Рис. 2. Распределение примесей по структуре литого титана со среднем содержанием кислорода 0,15 % по массе полученное энергодисперсионным рентгеноспект-ральным методом в режиме сканирования по линии
[' [С GO l№ ]-D I Hi W'lf в-D
в
N Al Ti Total
002 0.14 0.05 99.81 100
Рис. 3. Распределения включений по структуре литого титана со средним содержанием кислорода 0,15 % по массе:
а - распределение в структуре включений размером до 2 мкм; б - распределение в структуре включений размером до 8 мкм; в - содержание элементов во включении
следует, что при увеличении концентрации кислорода от 0,05 до 0,30 % наблюдается повышение уровня пре-
КОНСТРУКЦ1ЙН1 I ФУНКЦЮНАЛЬН! МАТЕР1АЛИ
Рис. 4. Влияние содержанж кислорода, вводимого по экспериментальной технологии, на механические свойства титана в
литом состоянии
дела прочности в пропорции 100.120 МПа на 0,1 % кислорода.
Повышение уровня прочности происходит за счет упрочнения твердого раствора титана элементами внедрения, к которым относятся кислород и азот. Снижение показателей пластичности происходит адекватно повышению прочности, что говорит о стабильности структуры. Можно сделать вывод, что имеющиеся в структуре включения не оказывают определяющего влияния на механизм разрушения титана. Это подтверждают результаты анализа фрактограмм разрушения при одноосном растяжении металла (рис. 5).
Как видно из представленных данных, не зависимо от содержания кислорода излом имеет вязкий характер с наличием характерных «ямок» вязкого разрушения (см. рис. 5, а). В титане с содержанием кислорода до 0,30 % размер «ямок» в среднем составляет
3,5 мкм (см. рис. 5, б), в то время как для титана с 0,05 % кислорода ямки размером 1,0.2,0 мкм (см. рис. 5, в). Таким образом, разрушение происходит с меньшим течением структурных составляющих, что является следствием сильного искажения гексагональной плотноупакованной кристаллической решетки а -титана в результате ее насыщения большим количеством атомов кислорода. Находясь в октаэдричес-ких межузельных пространствах а-титана, кислород
с
увеличивает соотношение параметров — ГПУ - кристаллической решетки [5], что негативно сказывается на способности кристаллов к деформации.
На основании проведенных исследований можно сделать вывод, что при легировании титана губчатого кислородом по новой технологии его влияние в диа-
в
Рис. 5. Фрактограммы разрушения титана при одноосном растяжении:
а - характерный излом для исследуемых образцов, х 35; б - титан со средним содержанием кислорода 0,05% (по массе), х1000; в - титан со средним содержанием кислорода 0,3% (по массе),х 1000
1607-6885 Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2007
59
пазоне концентраций 0,05.0,30 % практически не оказывает негативного влияния на структурные составляющие, повышает уровень предела прочности на 100.120 МПа на 0,1 % кислорода и снижает показатели пластичности в допустимых для сплавов пределах: относительное удлинение снижается с 40 % до 20 %, а относительное сужение снижается с 67 % до 51 % в исследуемом диапазоне кислорода.
Выводы
1. Анализ современного состояния производства титана и сплавов на его основе показал необходимость повышения уровня прочности основы сплавов титана губчатого. Это можно достигнуть путем легирования титана губчатого кислородом. Наиболее оптимальной технологией является легирование кислородом путем его введения в реакционную газовую среду аппарата восстановления через аргон.
2. Легирование кислородом в диапазоне концентраций 0,05 %... 0,30 % практически не оказывает негативного влияния на структуру и механизм разрушения литого титана. Влияние кислорода сказывается в повышении уровня прочности с 330 МПа до 670 МПа и допустимом снижении пластичности 5 с 40 % до 20 %,
V с 67 % до 55 % для исследуемых концентраций кислорода.
Перечень ссылок
1. А. Д. Чучурюкин, А. Н. Трубин, В. А. Фролов О качестве губчатого титана и полуфабрикатов из титановых сплавов / «Цветные металлы». - 1991. - № 12. - С. 24-25.
2. А. Л. Береславский, Э. А. Карасев, А. С. Кудрявцев,
B. П. Сорокин Обеспечение прочностных характеристик промышленных сплавов при использовании высших сортов губчатого титана / «Титан». - 2004. - № 1.-
C. 30-33.
3. А. Н. Трубин, И. Ю. Пузаков. Особенности распределения кислорода в слитках титановых сплавов / «Титан». - 2003. - № 2. - С. 20-21.
4. Пат. 2106418 Россия, С1 С22В34/12, Способ получения губчатого титана, легированного кислородом / Гулякин А. И., Носков Н. А., Бушмакин В. А., Фирстов Г. А., Рым-кевич Д. А., Шаламов А. В., Трубин А. Н., Пузаков И.Ю., Бондарев Э. И.; - № 96112001/02; Заявлено 18.06.1996; Опубл. 10.03.1998.
5. В. А. Колачев, В. А. Ливанов, А. А. Буханова Механические свойства титана и его сплавов / М.: Металлургия, 1974. - С. 47-57.
Одержано 14.06.2007
У po6omiрозкрите питання легування титану губчатого киснем. Запропоновано нову технологЮ легування титану губчатого киснем шляхом його введення в реакцшне газове середовище апарата вiдновлення через аргон. Установлено, що найбшьш оптимальт механiчнi властивостi мае титан з вмiстом кисню в межах 1,0...1,5 %. Зазначенi концентрацИкисню входятьу припустимий дiапазонрегламентований стандартом для титанових сплавiв.
The question of spongy titanium alloying with oxygen is developed. The new technology of oxygen spongy titanium alloying by it's implementation in the reactionary gas environment of the device of restoration through argon. It is established, that the optimal mechanical properties are achieved in titanium with oxygen content within the limits of 1.0 ... 1.5 %. The specified concentrations of oxygen are enter the allowable range regulated by the standard for titanium alloys.
