CC BY
50
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
Научный редактор раздела докт. техн. наук, профессор Е.Б. Качанов
УДК 669.295
СТАТИСТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СВОЙСТВ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
И. С. Полькин, докт. техн. наук (ОАО ВИЛС, e-mail: igor_polkin@oaovils.ru), Ю.Б. Егорова, докт. техн. наук (ФГБОУ ВПО МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского, e-mail: egorova_mati@mail.ru, Л.В. Давыденко, канд. техн. наук(МГТУМАМИ, e-mail: mami-davidenko@mail.ru)
Проведены комплексные статистические исследования химического состава и механических свойств деформированных полуфабрикатов титановых сплавов, изготовленных на различных предприятиях с 1970 по 2011 гг. Показано, что легирование кислородом может быть применено как эффективный способ повышения прочности без снижения пластичности. Оценка влияния на свойства титановых сплавов различных типов структуры и разброса химического состава сплава показала неравноценное влияние этих факторов на прочностные и усталостные характеристики. Статистическая оценка выпадов по химическому составу выплавленных слитков позволяет рекомендовать уровень шихтовок с вероятным процентом несоответствий менее 0,05 %.
Ключевые слова: титановые сплавы, слитки, деформированные полуфабрикаты, химический состав, механические свойства, статистические исследования.
Statistical Evaluation of Titanium Alloy Properties. I.S. Polkin, Yu.B. Yegorova, "(i?)-
L.V. Davydenko.
Comprehensive statistical investigations of chemical composition and mechanical properties of wrought titanium alloy semiproducts produced at various factories from 1970 to 2011 have been carried out. It is shown that alloying with oxygen up to 0,25 % can be used as an effective technique to improve strength without a reduction in ductility. Evaluation of the effect of different types of structures and variations in chemical analysis on titanium alloy properties showed an unequal effect of these factors on strength and fatigue characteristics. Statistical investigation of chemicals losses in ingots produced enables recommendations for a charge composition level with a probable percentage of discrepancies below 0,05 %.
Key words: titanium alloys, ingots, deformed semi-finished products, chemical composition, mechanical properties, statistical investigations.
Введение
В настоящее время невозможно дальнейшее совершенствование современного авиа-и машиностроения без широкого применения титановых сплавов. К 2020 г. предполагается не только двукратное увеличение объемов потребления титана в авиации (с 4200 т в 2007 г. до 9800 т в 2020 г.), но и активный рост спроса титановых полуфабрикатов в других отраслях промышленности, таких
как судостроение, медицина, атомная промышленность и др. По прогнозам спрос российского рынка на титановую продукцию возрастет к 2020 г. до 20 тыс. т, в 2,5 раза превысив уровень 2007 г., а с учетом экспорта - до 58 тыс. т (27,6 тыс. т в 2007 г.) [1]. Рост титанового производства возможен только при условии разработки новых высокотехнологичных сплавов, оптимизации состава, структуры и свойств традиционных титано-
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
вых сплавов, совершенствования существующих и внедрения инновационных (энергоэффективных и энергосберегающих) технологических процессов, в том числе основанных на вероятностно-статистическом подходе и 1Т-технологиях.
В работе проведены статистические исследования с использованием как литературных данных, так и большого количества результатов промышленного контроля полуфабрикатов, изготовленных по серийным технологиям на различных предприятиях. Основная цель работы состояла не только в том, чтобы установить статистически обоснованные закономерности изменения механических и технологических свойств титановых сплавов от различных факторов , но и дать практические рекомендации металлургам и металловедам.
Объекты и методы исследования
К настоящему времени проведена всесторонняя статистическая обработка литературных данных и результатов промышленного контроля полуфабрикатов из титановых сплавов разных классов, изготовленных на СТК (Ступинская титановая компания), СМК (ОАО «Ступинская металлургическая компания»), ВСМПО (ныне Корпорация «ВСМПО-АВИСМА») в период с 1970 по 2011 гг. (табл. 1). Все деформированные полуфабрикаты были подвергнуты отжигу по заводским режимам. Из данных, приведенных в литературных ис-
точниках [2-24], в качестве объектов исследований были выбраны отожженные катаные и кованые прутки диаметром 8-60 мм и листы толщиной 1,5-3,0 мм из 174 промышленных и модельных отечественных и зарубежных титановых сплавов. Статистический анализ, проведенный с помощью пакета прикладных программ Stadia [25], включал первичную статистическую обработку, статистический контроль качества и корреляционно-регрессионный анализ. В качестве исследуемых факторов были проанализированы: содержание легирующих элементов и примесей, стандартные механические свойства (временное сопротивление разрыву ств, условный предел текучести сто,2, относительное удлинение 8, поперечное сужение у, ударная вязкость KCU, число циклов до разрушения N), параметры структуры. Кроме этого, был исследован химический состав, выраженный через обобщенные (интегральные) характеристики, в качестве которых использовали коэффициент р-стабилизации, структурные и прочностные
эквиваленты по алюминию [Al, [Al]прв и
молибдену [Mo, [Mo^ [2].
Особое внимание было уделено первичной статистической обработке химического состава и характеристик механических свойств, так как прогнозирование и оптимизация технологических процессов возможны только при условии, что процесс производства как слитков, так и деформированных полу-
Таблица 1
Объекты исследования
Марки сплавов Вид Число полу- Число
полуфабриката фабрикатов образцов
ВТ1 -00, ВТ1 -0, Grade 2, Grade 4, ВТ5, ВТ5-1, Слитки 3923 11746
СТ6, 3М, ПТ-7М, ОТ4-1, ОТ4-1 В, ОТ4- 0, ОТ4, ВТ6, 0 370, 480, 790, 840 мм
Grade 5, Grade 23, ВТ3-1, ВТ8, ВТ9, ВТ16, ВТ22,
ВТ25У
ВТ1 -00, ВТ1 -0, Grade 2, Grade 4, ВТ5, ВТ5-1, Кованые прутки сечением 2937 5874
ОТ4-1, ОТ4-1 В, ОТ4-0, ОТ4, ВТ6, Grade 5, 14 х 14 мм
Grade 23, ВТ3-1, ВТ8, ВТ9, ВТ16, ВТ22, ВТ25У
ВТ5-1, Grade 5, ВТ23 Кованые прутки 0 70-90 мм 36 120
ВТ1 - 0, ВТ5, ВТ5-1, ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4, ВТ6, ВТ3-1 Прессованные прутки 102 204
014-40 мм
ВТ6, ВТ3-1 Штампованные поковки 264 1271
-Ф-
-Ф-
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
фабрикатов, является стабильным и управляемым. Для каждого фактора были определены диапазон изменения по факту, размах, выборочное среднее, доверительный интервал среднего с доверительной вероятностью 0,95, дисперсия, стандартное отклонение, ширина трехсигмового интервала 6Б, коэффициент вариации. Были построены гистограммы и карты средних, проведена проверка нормальности распределения. Для механических свойств, помимо среднего статистического значения (типичного 7-базиса по американской терминологии), были также определены А- и В-уровни. А-уровень характеризует значение какого-либо свойства материала, выше которого находятся не менее 99 % всей совокупности значений (с доверительной вероятностью 0,95). В-уровень характеризует значение, выше которого находятся не менее 90 % всей совокупности значений (с доверительной вероятностью 0,95).
При сравнении химического состава слитков и механических свойств за разные годы проводили проверку статистической гипотезы о равенстве математических ожиданий (выборочных средних) и дисперсий. Анализ соответствия химического состава и механических свойств слитков и деформированных полуфабрикатов требованиям нормативной документации, а также статистическую оценку их стабильности проводили в соответствии с рекомендациями ГОСТа и требованиями руководства сертификационного центра «Материал» Р СЦМ-04-2010 «Оценка качества авиационных материалов/полуфабрикатов при сертификации их производства».
Для исследования зависимостей механических свойств титановых сплавов от различ-
ных факторов проводили корреляционно-регрессионный анализ. Для оценки силы статистической связи между исследуемыми факторами были рассчитаны коэффициенты парной и множественной линейной и нелинейной корреляции И. Проверку значимости коэффициентов корреляции и регрессии, адекватности регрессионной модели осуществляли с доверительной вероятностью 0,95 несколькими способами: с помощью коэффициента детерминации, критериев Фишера и Стьюдента.
Исследование химического состава
и механических свойств слитков и деформированных полуфабрикатов
Проведенные статистические исследования химического состава различных полуфабрикатов показали, что с 1970-х по 2011 гг. среднее содержание кислорода и азота уменьшилось почти в два раза: с 0,11 до 0,06 % мас. и 0,02 до 0,01 % мас. соответственно (табл. 2). В 2000-2011 гг. сузился диапазон легирования алюминием, при этом практически для всех исследованных сплавов диапазон значений сдвинулся к верхнему пределу поля допуска, а среднее статистическое содержание алюминия увеличилось на ~0,3-0,4 % мас.
Временное сопротивление разрыву снизилось в среднем на 50-100 МПа по сравнению с 1970-ми гг. (табл. 3), при этом часть значений выпадает за нижний предел по нормативной документации (НД).
Это может быть обусловлено повышением чистоты титановой губки и снижением ее твердости и предела прочности. Так, было установлено, что средняя твердость губки марок ТГ100-ТГ130, из которой были выплав-
Таблица 2
Среднее содержание примесей (% мас.) в слитках титановых сплавов, выплавленных с 1970 по 2011 гг. без микролегирования кислородом
Год С Ре Б1 О N Н 2г
1970 0,025 0,115 0,044 0,110 0,021 0,005 —
2000 0,023 0,127 0,042 0,074 0,014 0,005 0,02
2009 0,022 0,090 0,028 0,065 0,010 0,004 0,01
2011 0,022 0,094 0,032 0,058 0,010 0,004 0,01
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
Таблица 3
Минимальные и средние статистические значения (Т-уровень) предела прочности прутков 14 мм из титановых сплавов в 1970-х и 2000-х гг. (без микролегирования кислородом)
№ пп Сплав ств, МПа
Минимальное значение Среднее значение (Т-уровень)
НД 1970-1975 гг. 1999-2003 гг. НД 1970-1975 гг. 1999-2003 гг.
1 ВТ1-00 300 355 310 375 388 340
2 ВТ1-0 400 392 404 475 472 431
3 ВТ1 - 0*(0,15 % О2) 400 - 455 475 - 540
4 йгаЬе 2 345 - 423 - - 440
5 ОгаЬе2* (0,16 % О2) 345 - 503 - - 571
6 СгаЬе4*(0,3 % О2) 550 - 653 - - 811
7 ВТ5-1 800 842 821 900 916 864
8 ОТ4-1 600 654 590 675 713 644
9 ПТ3-В 630 - 690 730 - 750
10 ВТ20 950 - 933 1025 - 1039
11 ВТ18У 1000 - 1035 1100 - 1074
12 ВТ6 950 987 904 1000 1048 964
13 ВТ6* (0,15 % О2) 950 - 917 1000 - 998
14 ВТ6* (0,2 % О2) 950 - 953 1000 - 1085
15 йгаЬе5* (0,13 % О2) 895 - 929 1000 - 1033
16 ВТ3-1 1000 1072 1067 1100 1113 1085
17 ВТ8 1000 1095 1086 1100 1154 1128
*Микролегирование кислородом.
лены слитки в 1970-1980-х гг., НВ = 1135 МПа (ств = 375 МПа); в 1999-2011 гг. - 945 МПа (ств = 312 МПа).
Для того чтобы компенсировать потерю прочности сплавов, повышают содержание легирующих элементов (в частности, алюминия) и кислорода в пределах диапазона по НД. В последние годы кислород стали считать не вредной примесью, а полезной и дешевой легирующей добавкой, повышающей прочность сплавов без существенного снижения пластичности (в интервале концентраций 0,1-0,3 % мас.). К настоящему времени на предприятиях отрасли около 50 % всех выплавляемых слитков легируется кислородом.
В работе была проведена теоретическая оценка влияния содержания алюминия и кислорода на предел прочности и относительное удлинение титана. По литературным данным [2-5, 9, 10, 24], в интервале концентраций 0-2 % увеличение содержания алюминия на 1 % приводит к повышению прочности в среднем на 50-55 МПа и снижению относи-
тельного удлинения на 5 %. В интервале 2-7 % -прочность увеличивается на 60-65 МПА, удлинение снижается на 1,5 %. В области малых концентраций (0-0,15 % мас.) повышение содержания кислорода на 0,1 % приводит кросту прочности на 120-125 МПа. Если же кислород вводится как легирующий элемент (0,15-0,5 %), то его упрочняющее действие составляет 85-100 МПА на 0,1 % О2. При повышении концентрации от 0,15 до 0,5 % мас. кислород сравнительно слабо влияет на пластичность (0,1 % мас. кислорода снижает 8 на ~ 2-3 %).
Теоретические расчеты подтверждают результаты статического анализа. Так, в 2000-х гг. легирование технического титана марки ВТ1-0 0,15 % О2 привело к повышению прочности с 430 (при 0,06 % О2) до 540 МПа. Легирование титана кислородом до 0,3 % обеспечивает более высокую прочность (при удовлетворительной пластичности) по сравнению со сплавом ПТ3-В, легированным 4 % А1 и 2 % V (табл. 3, 4).
"Ф
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
Таблица 4
Минимальные и средние статистические значения (Т-уровень) относительного удлинения прутков 14 х 14 мм из титановых сплавов в 1970-х и 2000-х гг. (без микролегирования кислородом)
№ пп Сплав 5, %
Минимальное значение Среднее значение (Т-уровень)
НД 1970-1975 гг. 1999-2003 гг. 1970-1975 гг. 1999-2003 гг.
1 ВТ1-00 25 27,8 32,0 35,8 39,2
2 ВТ1-0 20 20,0 30,4 25,9 35,6
3 ВТ1-0*(0,15 % О2) 20 - 20,3 - 22,5
4 йгаЬе 2 20 - 30,1 - 35,8
5 йгаЬе 2*(0,16 % О2) 20 - 20,0 - 22,6
6 йгаЬе 4*(0,3 % О2) 15 - 22,8 - 23,2
7 ВТ5-1 10 9,5 11,2 12,5 15,1
8 ОТ4-1 15 14,2 17,2 20,0 23,4
9 ПТ3-В 10 - 13,8 - 18,0
10 ВТ20 10 - 8,4 - 13,5
11 ВТ18У 10 - 13,2 - 15,8
12 ВТ6 10 10,2 11,8 12,8 14,7
13 ВТ6*(0,15 % О2) 10 - 11,2 - 13,4
14 ВТ6*(0,2 % О2) 10 - 10,2 - 11,8
15 йгаЬе 5*(0,13 % О2) 10 - 10,0 - 13,2
16 ВТ3-1 10 10,6 13,2 15,0 15,7
17 ВТ8 8 9,8 12,0 14,1 14,7
*Микролегирование кислородом.
На рис. 1 приведены механические свойства прутков из сплава Т1-6Д!-4У с содержанием 0,04-0,2 % О2. Прутки были изготовлены в 2000-2011 -х гг. с дошихтовкой рутилом и без нее. Легирование 0,2 % О2 привело к повышению прочности прутков до 1085 МПа. По результатам регрессионного анализа увеличение до 0,25 % О2 в сплаве Т1-6Д!-4У позволяет получить прогнозируемый предел прочности 1100 МПа, поперечное сужение 32 %, относительное удлинение 12 %, ударную вязкость 0,45 МДж/м2, что выше минимальных значений по НД. Легирование кислородом свыше 0,25 % вряд ли целесообразно, так как это приводит к снижению пластических свойств до недопустимых пределов. Таким образом, 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.
МПа
1200
1100
1000 900
5, % 15
13
11
0,1
8 58° I ° о ° 5 и § 0 Го° 8 1 § 0
------- ° Я 1 о о « —^ ! 8>-ШП по НД 1 1 |
1
0 1 0, 2 0,25 0 О2, % 3
2 4
о о о ° в | | 9 8 8 8 ^ В о л ^¿8 §80° «На § ° о 1
о и § 8 ° о о В 8 О В"" о о 8 8 о п __ О ° о о о о О 1 1 О 1 ^^ 1
шт по НД 1 1
0,2 0,25 0,3
О2, %
Рис. 1. Зависимость механических свойств кованых прутков 14 мм из сплава Т—6А!—4У от содержания кислорода
с»
-ф
-ф-
"Ф
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
Статистическая оценка влияния типа структуры и химического состава на разброс механических свойств прутков и штампованных поковок из титановых сплавов
В работе была проведена статистическая оценка влияния различных факторов, обусловливающих разброс механических свойств полуфабрикатов. Для этого определяли коэффициенты корреляции и детерминации, проводили проверку их значимости с доверительной вероятностью 0,95. Колебания ме-
ханических свойств могут существенно зависеть от химического состава и структуры, во многом определяемой конкретной технологией обработки давлением, габаритами полуфабрикатов и режимами термической обработки. Поэтому для исключения этих факторов было исследовано влияние структуры и содержания легирующих элементов и примесей на механические свойства однотипных полуфабрикатов.
Для штамповок из сплава ВТ3-1 данные металлографического анализа показали (табл. 5), что 75 % образцов имели равноосную
-Ф
Таблица 5
Механические свойства образцов сплава ВТ3-1 с разным типом структуры
Тип структуры Т (доля образцов, %)
диапазон
среднее*
8, %
диапазон
среднее*
V, %
диапазон
среднее*
Ы, циклов при ст = 500 МПа
диапазон
среднее
I (30 %)
Разброс свойств Доля вариации свойств из-за влияния структуры, % Доля вариации свойств из-за влияния химического состава, %
10471116
10291105
10241100
10241094
1077 ± 9,5
1066 ±
8,7
1060 ±
9,3
1054 ± 8,8
92 23
20
40
14,822,0
12,822,4
14,021,2
14,019,2
17,8 ± 0,7
17,2 ± 0,8
18,5 ± 1,2
16,7 ±
1,3
9,6 1,8
10
25
27,145,2
27,148,2
36,049,0
27,144,8
38,7 ± 1,5
39,7 ± 1,4
43,2 ± 1,9
38,0 ± 1,6
22 5,2
10
30
2,4-1052,0-106
1,1-1052,0-106
1,2-1052,0-106
1051,2-106
1,86-10
1,51-10°
1,61-10ь
1,13-106
1,9-106 7,3-105 30
15
*Указан доверительный интервал с надежностью 0,95.
ств, МПа
-Ф-
-Ф-
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
-Ф-
структуру, из них 30 % относится к типу I (равноосная с почти глобулярными а-зер-нами 2-6 подтипов), 45 % - к типу II (равноосная с несколько вытянутыми а-зернами 1-6 подтипов); 17 % образцов имели смешанную структуру III типа (преимущественно 4 и 5 подтипов). Структура V типа (2 подтипа) встречалась у 8 % образцов.
Средние значения механических свойств сплава ВТ3-1 довольно слабо зависят от типа структуры (см. табл. 5), в тоже время степень влияния химического состава на стандартные свойства при растяжении и ударном изгибе значительно больше. Так, доля вариации предела прочности штамповок из сплава ВТ3-1, обусловленная влиянием типа и параметров структуры, составляет около 20 %, а влиянием химического состава - 40 %. Остальная доля вариации может быть обусловлена факторами, которые сложно учесть (однородность структуры, химического и фазового состава по сечению поковок; наличие текстуры; тонкое строение фаз; строение прослоек между а- и ß-фазами и т. п.). Картина принципиально меняется при изучении усталостных характеристик: доля вариации числа циклов до разрушения, обусловленная влиянием структуры, составляет 30 %, а влиянием химического состава - всего 15 %. Полученные результаты приводят к выводу о том, что в зависимости от конкретных условий работы детали необходимо учитывать различный уровень влияния типа структуры и разброса химического состава на те или иные свойства, а для повышения стабильности комплекса механических свойств необходимо не только обеспечивать требования к структуре, но и сузить существующий диапазон легирования сплавов.
Оценка влияния диапазона легирования на разброс
механических свойств сплава ВТ6
В работе была проведена теоретическая оценка разброса механических свойств титановых сплавов в зависимости от колебаний химического состава в пределах НД. Например, содержание алюминия в сплаве ВТ6 по ОСТ соответствует 5,3-6,8 % (величина диапазона легирования АД! = 1,5 %), ванадия
Дст„, МПа
120 -
100
80 -
60
0,75 1,0 1,5
Диапазон легирования, %
Рис. 2. Разброс значений предела прочности прутков из сплава Т—6А!—4У в зависимости от диапазона легирования
3,5-5,3 % (^ = 1,8 %), так что максимально возможный размах предела прочности может достигать ~ 144 МПа при условии, что 1 % А1 приводит к повышению прочности на 60 МПа, а 1 % V - на 30 МПа [2]. На рис. 2 для примера приведен расчетный разброс значений предела прочности Дств сплава ВТ6 в зависимости от колебаний алюминия и ванадия в пределах НД. Степень влияния алюминия в 1,5 раза больше, чем ванадия, поэтому если сузить диапазон для алюминия последовательно с ДА1 = 1,5 % до 1,0 % или 0,75 % без изменения колебания легирования ванадием, то это приведет к снижению разброса предела прочности на 30 и 42 МПа соответственно (сравнить значения ординат в точках а-а', б-б' и в-в' для А1 на рис. 2). При этом следует учитывать, что снизить разброс содержания алюминия в сплаве ВТ6 с 1,5 % до 0,75 % при существующей технологии литья достаточно сложно.
Снижение колебания содержания ванадия в сплаве ВТ6 с 1,8 % последовательно до 1,0 и 0,75 % приводит к значительно меньшему изменению разброса предела прочности по сравнению с алюминием.
Таким образом, разброс механических свойств прутков из сплава ВТ6 можно сократить, сузив пределы легирования алюминия с 1,5 до 1,0 %. При этом сужение пределов легирования ванадия практически не оказывает существенного влияния на разброс механических свойств.
"Ф
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
Рекомендации по выбору сплавов с оптимальным комплексом механических свойств в отожженном состоянии
На основе обобщения массивов промышленных и литературных данных для оценки сплавов с оптимальным комплексом механических свойств был условно выбран показатель - произведение предела прочности на относительное удлинение. Такой подход, как показала практика, соответствует критериям выбора сплавов с высокой прочностью и удовлетворительной пластичностью. Для титановых сплавов всех классов (а, псевдо- а, а + в, псевдо- в, в) были построены диаграммы в координатах «ств-8 - [Мо» при разных
г«.-.стр
значениях [А1 ]экв , которые позволяют оценить влияние химического состава сплавов на оптимальный уровень предела прочности и относительного удлинения отожженных прутков (рис. 3). Увеличение содержания а-стабилизаторов и нейтральных упрочните-
лей до [А1 ]э"к!в > 6 % приводит к повышению
предела прочности и снижению пластических характеристик, что в целом сопровождается уменьшением показателя ств-8. Как видно из рис. 3, максимальные значения показателя ств-8 наблюдаются для сплавов переходного класса и псевдо-в-сплавов с
[ Мо ]э;р = 9-18 %, кв = 0,8-1,6 и [ А1 ] скв = 1-
5 %.
ств • 8, МПа •
0,9
2,7
Т1-5А1-5У-5Мо-3Сг; Т1-10У-2Ее-3А1; Т1-15Мо-3Сг-3А1; Т1-8У-8Мо-2Ее-3А1
20000 -
16000 -
12000
8000
[А1]Скв = 2-4 %
6 %
а + в . переход- I а + в I ный класс псевдо-Р
10
20
30
[Мо]СКВ, %
Рис. 3. Область максимальных значений механических свойств титановых сплавов в отожженном состоянии
Таблица 6
Рекомендации по корректировке содержания легирующих элементов в слитках титановых сплавов
Сплав Легирующий элемент Диапазон легирования по ОСТ, % Средний расчетный состав, % Число выпадов по 3ст- интервалу на 1000 слитков Рекомендуемый расчетный состав, %, не более
ВТ6 А1 5,3-6,8 6,50 -18 6,14
ВТ22 А1 4,4-5,7 5,35 -3 5,10
ВТ16 Мо 4,0-5,5 5,10 -4 4,71
ВТ22 Мо 4,5-5,5 5,20 -30 5,05
При этом по данным регрессионного анализа было установлено, что сплавы, легированные 7 элементами и более, имеют пластичность в ~ 1,5 раза больше, чем сплавы с 3 легирующими элементами при одинаковой прочности 1100 МПа, что, безусловно, говорит о пользе комплексного легирования.
Рекомендации по повышению качества слитков
Как было показано выше, для того чтобы компенсировать потерю прочности, слитки легируют алюминием и другими компонентами практически по верхнему пределу, регламентированному НД (рис. 4). В результате этого 3ст-интервал может выходить за верхний предел по НД. В частности , для слитков сплава ВТ22 несоответствие содержания алюминия по верхнему пределу может появиться с вероятностью 0,35 %, то есть 3-4 слитка из 1000 могут
1
к
в
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
о
М н Н
ч
о
о
к
20
10
-1-Г
Существующий состав
6,5 % '
Рекомендуемый состав 6,14 %
5,3
шт по ОСТ
6,14 6,5
6,8 А1, % шах по ОСТ
12
о
м
н Н
ц
о
о
к
Существующий состав ' 5,35 % \
Рекомендуемый состав 5,1 %
4,4 5,1 5,35 5,7 А1, %
шт по ОСТ шах по ОСТ
Рис. 4. Рекомендации по повышению качества слитков титановых сплавов ВТ6 (а) и ВТ22 (б)
иметь брак по верхнему пределу (табл. 6). Для слитков сплава ВТ6 этот показатель еще выше - может быть ~ 20 бракованных слитков из 1000.
Для того чтобы исключить брак по верхнему пределу необходимо, чтобы вероятностный процент несоответствий был менее 0,05 %, то есть < 5 несоответствий на 10 000 слитков. При существующем технологическом уровне производства целесообразно снизить среднее статистическое содержание алюминия на 0,2-0,35 %, ванадия - на 0,2-0,25 %, молибдена на 0,1-0,35 %, циркония на 0,06 %. Таким образом, можно рекомендовать среднее содержание легирующих элементов, которые исключают возможность появления брака по верхнему пределу.
Заключение
1. Подведены первые итоги комплексных статистических исследований химического состава, механических свойств отожженных деформированных полуфабрикатов из титановых сплавов, изготовленных на различных предприятиях с 1970 по 2011 гг.
2. Статистически обосновано, что кислород целесообразно применять в разумных пределах как полезный легирующий элемент титановых сплавов, повышающий прочностные свойства без существенного снижения пластичности .
3. На основе корреляционного анализа было установлено, что на разброс кратковременных механических свойств в большей степени влияет изменение химического состава в пределах НД, чем структура. Разброс усталостных свойств, наоборот, больше зависит от структуры, чем от колебаний химического состава.
4. Установлены значимые статистические зависимости механических свойств полуфабрикатов от изменения химического состава в пределах НД. Для снижения разброса свойств целесообразно провести корректировку химического состава, в частности сузить диапазон легирования основными компонентами, прежде всего алюминием.
5. Для исключения выпадов по 3ст-интер-валу и снижения брака по верхнему пределу НД целесообразно снизить среднее фактическое содержание легирующих элементов в слитках титановых сплавов путем корректировки состава шихты .
6. На основе регрессионного анализа установлено, что оптимальный уровень механических свойств в отожженном состоянии имеют сплавы переходного класса и псевдо-
р-сплавы с [ Мо ]экв = 9-18 %, кв = 0,8-1,6 и
[Д! ]экв = 1-5 %. Комплексное легирование
5-7 элементами может значительно повысить пластичность титановых сплавов, что особенно важно для высокопрочных сплавов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Стратегическая программа исследований технологической платформы // Материалы и техно-
логии металлургии, 2012. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://tpmtm.ru
4
а
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
5.
6.
2. Ильин А.А., Колачев Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства: справ. - М.: ВИЛС - МАТИ, 2009. - 520 с.
3. Машиностроение. Энциклопедия. Т. II-3. Цветные металлы и сплавы / Под ред. Фриндляндера И.Н. Раздел 2. Титан и титановые сплавы / Моисеев В.Н. - М.: Машиностроение, 2001. С. 272-353.
4. Materials Properties Handbook. Titanium Alloys / Ed. by R. Boyer, G. Welsch, E.W. Collings. - ASM International. The Material Information Society, 1994. -1176 p.
Глазунов С.Г., Моисеев В.Н. Конструкционные титановые сплавы. - М.: Металлургия, 1974. -368 с.
Солонина О.П., Глазунов С.Г. Жаропрочные титановые сплавы. - М.: Металлургия, 1976. -448 с.
7. Хорев А.И. Комплексное легирование и термомеханическая обработка титановых и сплавов. -М.: Машиностроение, 1979. - 228 с.
8. Ильин А.А., Егорова Ю.Б., Скворцова С.В., Мамонов А.М., Ночовная Н.А., Давыденко Л.В. Различные виды классификации отечественных титановых сплавов // Титан. 2012. № 2 (36). С.11-18.
9. Металлография титановых сплавов / Борисова Е.А., Бочвар Г.А., Брун М.Я. и др. / Под общ. ред. Глазунова С.Г., Колачева Б.А. - М.: Металлургия, 1980. - 464 с.
Белов С. П., Брун М.Я., Глазунов С. Г. и др. Металловедение титана и его сплавов / Под общ. ред. Глазунова С.Г., Колачева Б.А. - М.: Металлургия, 1992. - 352 с.
Александров В.К., Аношкин Н.Ф., Бочвар Г.А.
и др. Полуфабрикаты из титановых сплавов. - М.: Металлургия, 1979. - 512 с.
12. Полькин И.С. Упрочняющая термическая обработка титановых сплавов. - М.: Металлургия, 1984. - 96 с.
10.
11
13. Ильин А.А. Механизм и кинетика фазовых и структурных превращений в титановых сплавах. -М.: Наука, 1994. - 304 с.
14. Производство титановых сплавов. Вып. 4. - М.: ВИЛС, 1967. - 264 с.
15. Титан в промышленности / Под ред. Глазунова С.Г. -М.: Оборонгиз, 1961. - 314 с.
16. Титан для народного хозяйства. - М.: Наука, 1976. - 288 с.
17. Производство титановых сплавов. Вып. 5. - М.: ВИЛС, 1969. - 300 с.
18. Структура и свойства титановых сплавов / Под ред. Глазунова С.Г., Хорева А.И. - М.: ОНТИ, 1972. - 198 с.
19. Применение титановых сплавов / Под ред. Глазунова С.Г., Хорева А.И. - М.: ОНТИ, 1970. - 50 с.
20. Легирование и термическая обработка титановых сплавов. / Под ред. Туманова А.Т., Глазунова С.Г., Хорева А.И. - М.: ОНТИ, 1977. - 42 с.
21. Егорова Ю.Б., Мамонова Ф.С., Давыденко Р.А. Оценка однородности химического состава слитков титановых сплавов // Научные труды. 2011. Вып. 18 (90). С. 24-31.
22. Егорова Ю.Б.,Давыденко Л.В., Мамонов И.М., Никулина Т.А. Статистическое исследование химического состава и механических свойств слитков технического титана // Научные труды. 2011. Вып. 18 (90). С. 18-24.
23. 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.
24. Цвиккер У. Титан и его сплавы. - М.: Металлургия, 1979. - 512 с.
25. Кулаичев А.П. Методы и средства анализа данных в среде Windows. Stadia 6.0 - М.: Информатика и компьютеры, 1996. - 257 с.
