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

Егорова Ю.Б.¹, Давыденко Л.В.², Мамонов И.М.³

¹Профессор, доктор технических наук, ²Доцент, кандидат технических наук, ³Доцент, 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

¹Professor, 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 ~0,6% кислород резко снижает характеристики пластичности [9].

Литература

1. Ночовная Н.А., Исаичев А.В., Анташев В.Г. Проблемы создания экономичных титановых сплавов и пути их решения. // Все материалы. Энциклоп. справочник. 2008, №5 - С.10-15.
2. Кулаичев А.П. Методы и средства анализа данных в среде Windows. Stadia0 – М: Информатика и компьютеры, 1996. - 257 с.
3. Егорова Ю.Б., Давыденко Л.В., Мамонов И.М., Никулина Т.А. Статистическое исследование химического состава и механических свойств слитков технического титана// Научные труды МАТИ. – 2011. - Вып. 18 (90). - С. 18-24.
4. Егорова Ю.Б., Мамонова Ф.С., Давыденко Р.А. Оценка однородности химического состава слитков титановых сплавов// Научные труды МАТИ. – 2011. - Вып. 18 (90). - С. 24-31.
5. Егорова Ю.Б., Мамонов И.М., Давыденко Р.А. Сравнение химического состава и механических свойств слитков титановых сплавов, выплавленных в период с 1970 по 2011 годы// Труды МАТИ (Вестник МАТИ) – 2013. - Вып. 20 (92). - С. 4-10.
6. Ильин А.А., Колачев Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства. Справочник. – М.: ВИЛС - МАТИ, 2009.- 520 с.
7. Materials Properties Handbook. Titanium Alloys / Ed. by R.Boyer, G.Welsch, E.W.Collings.–ASM International. The Material Information Society, 1994.–1176 p.
8. Цвиккер У. Титан и его сплавы. М.: Металлургия, 1979. - 512 с.
9. Дроздовский Б.А., Проходцева Л.В., Новосильцева Н.И. Трещиностойкость титановых сплавов. М.: Металлургия, 1983. - 192 с.

References

1. Nochovnaya N.A., Isaichev A.V.,. Antashev V.G. Problems of creation of economic titanium alloys and way of their decision.//All materials. Entsiklop.Spravochnik. 2008, No. 5 – P. 10-15.
2. Kulaichev A.P. Methods and means of the analysis of data in the environment of Windows. Stadia 6.0 – M: Informatics and computers, 1996. - 257 pp.
3. Egorova Yu.B., Davydenko L.V., Nikulina T.A., Mamonov I.M. Statistical research of a chemical composition and mechanical properties of ingots of the technical titan//Scientific works of MATI. – 2011. - V. 18 (90). – P. 18-24.
4. Egorova Yu.B., Mamonova F.S., Davydenko R. A. Assessment of uniformity of a chemical composition of ingots of titanium alloys//Scientific works of MATI. – 2011. - V. 18 (90). – P. 24-31.
5. Egorova Yu.B., Mamonov I.M., Davydenko R. A. Comparison of a chemical composition and mechanical properties of ingots of the titanium alloys melted during the period from 1970 to 2011//Works of MATI (the Bulletin of MATI) – 2013. - V. 20 (92). – P. 4-10.
6. Ilyin A.A., Kolachev B. A., Polkin I.S. Titanium alloys. Composition, structure, properties. Reference book. – M.: VILS - MATI, 2009. - 520 pр.
7. Materials Properties Handbook. Titanium Alloys / Ed. by R.Boyer, G.Welsch, E.W.Collings. – ASM International. The Material Information Society, 1994. –1176 p.
8. Tsvikker U. Titanium and his alloys. M.: Metallurgy, 1979. - 512 pp.
9. Drozdovsky B.A., Prokhodtseva L.V., Novosiltseva N. I. Crack resistance of titanium alloys. M.: Metallurgy, 1983. - 192 pр.

[1] Здесь и далее % по массе.