Разработка литейного сплава Mg

СОДЕРЖАНИЕ

                                                           

1 Разработка сплава                                                                                          3

1.1 Характеристика базового элемента                                                         3

1.2 Система Ti-Al и выбор сплава                                                                   3

1.3 Структурный анализ диаграммы состояния Ti-Al                                6

1.4.Исследование влияния вспомогательных компонентов                     7

2 Теоретические и технологические аспекты процесса плавки               9

2.1 Определение типа плавильного агрегата.                                              9

2.2 Термодинамический анализ металлургических реакций                  10

2.3 Кристаллизация сплава                                                                             10

2.4 Литейные свойства сплава ВТ21Л                                                          11

3 Термическая обработка титановых сплавов                                            13 

3.1 Отжиг                                                                                                          13

3.2 Закалка                                                                                                        13

3.3 Старение                                                                                                                        14

4 Металлографические исследования сплава                                                              15

5 Механические испытания сплава                                                               16

Список используемых источников

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 РАЗРАБОТКА СПЛАВА

 

1.1 Характеристика базового элемента

Ti (Titanium) - лёгкий металл серебристо-белого цвета.  Существует в двух кристаллических модификациях: α-Ti с гексагональной плотноупакованной решёткой, β-Ti с кубической объёмноцентрированной, температура перехода α↔β 883 °C. Температура плавления 1668±4 °C. Плотность α-Ti при комнатной температуре  равна 4,505 г/см³. При переходе α-Ti в β-Ti объем металла несколько уменьшается. Удельное электросопротивление 42∙10^-6 - 70∙10^-6 Ом∙ Удельное сопротивление 0,42 мкОм·м при 20 °C.

 

Таблица 1 – Механические свойства чистого титана

Твердость НВ	Предел прочности sв, МПа	Относительное удлинение d, %
70	220-260	50-70

 

Коррозионная стойкость  обеспечивается благодаря защитной пассивирующей пленке TiO₂.

1.2 Система Ti-Al и выбор сплава.

Характер взаимодействия при образовании сплавов должен учитывать следующие факторы:

  Элементы должны иметь кристаллическую структуру одинакового типа;

 Атомные диаметры должны  отличаться не более, чем 8-15 %:

 Элементы должны иметь  близкие электрохимические свойства, что наблюдается при сходстве  электронного строения.

Для компонентов Ti и Al они характеризуются следующими факторами:

Таблица 2 – Свойства кристаллической  решетки элементов

Элемент	Тип решетки	Атомный радиус
Ti	ГПУ	2.950 Å
Al	КГЦ	2 А° (НМ) 1,25(0.125)

 

Система Ti-Al характеризуется наличием основных соединений: TiAl, Ti ₃Al  и ТiAl ₃.

Соединения TiAl и TiAl₃ образуются по перитектическим реакциям при температурах 1460  и 1340 °С соответственно, a Ti₃Al - по перитектоидной при 1255 °С. Соединение Ti3Al имеет гексогональную решетку, TiAl - тетрагональную, a TiAl₃ - ОЦТ.

Уменьшение твердости  с одновременным  повышением  пластичности  наблюдается в интерметалл идах с увеличением в них содержания алюминия. Так, моноалюминид  титана обладает значительной  высокотемпературной прочностью  и малой пластичностью при нормальной  температуре. Это обусловлено тем, что в нем приблизительно 70%  металлической и 30% ковалентной связи .

Таблица 3 – Механические свойства сплава Ti-Al без дополнительных компонентов

Сплав	Al,%	sв, МПа	d, %
ВТ5Л	5	700	6

 

Для обеспечения  заданных механических свойств в  систему Ti-Al можно ввести компоненты, которые обеспечат повышение механических свойств по механизму дисперсионного твердения.

Таблица 4 - Литейные титановые сплавы системы Ti-Al

Марка сплава	Химический состав, % (по массе), титан  — остальное					Механические свойства (не менее)
	Al	Мо	V	Si	Прочие элементы	sв, МПа	d,%
ВТ9Л	6,5	3,3	-	03	1,5 Zr	930	4
BT20JI	6,5	1,5	1,5	-	2Zr	900	5
ВТ35Л	3	-	15	-	3 So; 3 Сг	1100	7... 10
ВТ21Л	6,5	1,5	1,5	0,2	1 Cr, 2Zr	1000	4

 

Для сплавов ВТ9Л, ВТ20Л И ВТ21Л главным вспомогательным  легирующим элементом является Al, а также выполняет роль модификатора I рода.

Выбран сплав ВТ21Л, так  как именно этот сплав удовлетворяет  заданные свойства.

1.3 Структурный анализ диаграммы состояния Ti-Al

 

Рисунок 1 – Диаграмма  состояния  Ti-Al

 

Механизм структурообразования очень зависит от состава исходной реакционной смеси.

Исходная стадия структурообразования алюминидов титана - плавление алюминия, вызванное тепловым импульсом и его дальнейшее растекание по каналам капиллярно-пористой среды. Последующая диффузия атомов алюминия в решетку частиц титана приводит к зарождению в диффузионной зоне интерметаллидного соединения TiAl₃ .

При образовании в интерметаллиде возникают внутренние сжимающие и внешние стягивающие напряжения, что может привести к разрушению данного интерметаллида. В системе, содержащей 39,6 % масс. Al, ранее образовавшийся слой ограничивает перемещение атомов алюминия в титановый материал.

При этом происходит наращивание слоя TiAl₃, что приводит к обеднению алюминиевой массы и последующему зарождению моноалюминида титана. При распространении процесса в глубь титановой массы концентрация алюминия уменьшится, что станет причиной зарождения интерметаллида Ti₃Al.Заключительной стадией структурообразования станет выравнивание состава интерметаллидных слоев, в первую очередь благодаря перекристаллизации Ti ₃Al  в TiAl .

Рисунок 2 - Основные стадии структурообразования в системе Al-Ti

 

1.4 Исследование влияния вспомогательных компонентов

Сплавы системы Ti-Al дают низкие механические свойства и относятся к неупрочняемым. Единственный метод повышения прочностных и пластических свойств является легирование компонентами, позволяющими повысить механические свойства до необходимого уровня.

Из рассмотрения диаграммы  состояния Ti-AI можно выделить 4 основные структуры алюминидов титана: ТiзА1, TiAl, TiAI₂, TiAI₃.

Основа сплава должна обладать: высокой температурой плавленая, так как от нее зависят возможные рабочие температуры; высокой устойчивостью соединения; высокой удельной жаропрочностью, а следовательно низкой плотностью, для возможного уменьшения веса конструкции при неизменных рабочих характеристиках.

Как следует из таблицы 5, среди четырех структур алюминидов титана наилучшим сочетание сочетанием показателей обладает интерметаллид ТiAl₃, имеющий самую низкую плотность, наибольшую устойчивость, и достаточно высокую температуру плавления. За основу сплава выбирается структура TiAI₃.

Таблица 5 - Параметры систем Al-Ti

	Плотность, г/смЗ	Тпл, °С	Теплота образования, ккал/м оль	Интервал содержания А1, %
Ti3AI	4,05	1118	23,5	20-39
TiAl	3,6	1460	18	50-62
TiAl2	3,3	1000		66-67
TiA13	3,13	1340	35	74,5-75,0

 

Титан наиболее сильно упрочняют  такие элементы, как железо, марганец я кремний, менее интенсивно - олово, ванадий, алюминий и сравнительно слабо - цирконий, ниобий, тантал. Интенсивность упрочнения, определяемая тангенсом угла наклона зависимости прочностных характеристик от состава к оси абсцисс, уменьшается с увеличением содержания всех легирующих элементов, кроме алюминия. Алюминий в области концентраций 0...4% (по массе) упрочняет титан слабее, чем в интервале 4...7% (по массе). Многие легирующие элемент, кроме железа и марганца, не приводят к резкому падению характеристик пластичности.

Сплавы Ti содержат небольшое количество β-стабилизаторов. К тому же при многокомпонентном легировании суммарное упрочнение не является простой суммой упрочнения от введения отдельных компонентов из-за эффектов комплексного легирования.

Согласно законам Н.С.Курнакова, прочностные свойства двойных сплавов титана с β-стабилизаторами должны возрастать по криволинейной зависимости в области α-растворов, аддитивно в двухфазной (α + β)- области и снова по криволинейной зависимости в области β-растворов с максимумом при 50 % ат. титана и β-стабилизирующего элемента. В действительности механические свойства (α + β)-сплавов не подчиняются закону аддитивности в связи с тем, что при переходе от α- к (α + β)-структуре зерно сильно измельчается, причем зернистая структура часто сменяется пластинчатой. Наиболее мелкое зерно свойственно сплавам, структура которых представлена примерно равными количествами α- и β- фаз. При переходе от (α + β)- к β-структуре зерно вновь укрупняется. Отмеченное измельчение зерна приводит к отклонению прочностных свойств сплавов в сторону их больших значений.

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОЦЕССА ПЛАВКИ

 

2.1 Определение типа плавильного агрегата

Титан относится к легким (р = 4,5 кг/дм3) тугоплавким (Tпл = 1668 °С) металлам. Теплопроводность расплава титана в 20 раз меньше, чем меди. Удельное электрическое сопротивление титана 0,61 *10"6 Ом-м. По сравнению со сталью удельная теплота кристаллизации титана (419 кДж/кг) в 1,6 раза больше.

Титан и его сплавы в  жидком состоянии имеют чрезвычайно  высокую химическую активность. Титан  реагирует с кислородом, азотом, водородом, вступает во взаимодействие с различными оксидами, образующими  огнеупорные материалы, и восстанавливает  их. Кроме того, расплав титана растворяет углерод графитового тигля, что  приводит к резкому снижению пластичности сплавов. Поэтому титан нельзя плавить  в печах, футерованных обычными огнеупорами. Для выплавки качественных титановых  сплавов необходимо исключить взаимодействие металла с футеровкой и газовой  фазой. Поэтому плавку ведут в  вакуумных гарнисажных дуговых печах.

Рисунок 3 – Схема вакуумной  дуговой печи с расходуемым электроном для плавки титановых сплавов (1- электрододержатель, 2- расходуемый электрод, 3- вакуумная камера, 4- смотровое окошко; 5- литейные формы, 6- токопровод к тиглю, 7- шланг подачи воды, 8- медный водоохлаждаемый тигель, 9- гарнисаж)

2.2 Термодинамический анализ металлургических реакций

Он позволяет предвидеть направление полноту реакций. Термодинамические  исследования сводятся, в основном, к определению константы равновесия Кр, торги и Гиббса, ос которым судят о направлении реакций.