Сплав на основе титана и изделие, выполненное из него
Владельцы патента RU 2356977:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU)
Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к созданию титановых сплавов, предназначенных для использования в качестве конструкционного материала при изготовлении обшивки, лонжеронов, шпангоутов, фюзеляжа, крыльев, агрегатов и других деталей летательных аппаратов. Сплав на основе титана содержит, мас.%: алюминий 5,3-6,8, ванадий 3,5-5,3, железо 0,02-0,6, цирконий 0,001-0,3, углерод 0,005-0,1, кремний 0,01-0,15, марганец 0,001-0,15, медь 0,001-0,095, хром 0,001-0,095, кислород 0,02-0,2, азот 0,005-0,05, водород 0,003-0,015, титан - остальное. Сплав обладает высокими прочностными характеристиками при двухосном растяжении, пониженной чувствительностью к надрезу и пониженной плотностью, обеспечивающими повышение надежности работы изделий. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к созданию титановых сплавов, предназначенных для использования в качестве конструкционного материала при изготовлении лонжеронов, шпангоутов, фюзеляжа, крыльев, агрегатов и других изделий авиационной техники, работающих в условиях двухосного растяжения. Известен сплав на основе титана, имеющий следующий химический состав, мас.%:
| алюминий | 5,5-6,75 |
| ванадий | 3,5-4,5 |
| железо | 0,25-0,35 |
| углерод | 0,10-0,30 |
| кислород | 0,15-0,25 |
| азот | 0,05-014 |
| титан | остальное |
(Патент США №5759484)
Сплав может быть использован для изготовления деталей и узлов авиакосмической техники: лонжеронов, кронштейнов и т.д.
Недостатками сплава и изделий, выполненных из него, являются низкие значения конструкционной и циклической прочности при комнатной температуре.
Известен сплав на основе титана, содержащий, мас.%:
| алюминий | 2,0-5,2 |
| ванадий | 1,2-3,0 |
| хром | 0,01-0,3 |
| марганец | 0,01-0,3 |
| железо | 0,02-0,28 |
| медь | 0,01-0,3 |
| никель | 0,01-0,3 |
| кремний | 0,01-0,2 |
| азот | 0,005-0,07 |
| углерод | 0,01-0,2 |
| кислород | 0,01-0,2 |
| водород | 0,003-0,03 |
| титан | остальное |
(патент РФ №2082803).
Известен сплав на основе титана следующего состава, мас.%:
| алюминий | 5,0-6,8 |
| ванадий | 3,5-4,5 |
| железо | 0,1-0,28 |
| цирконий | 0,01-0,3 |
| хром | 0,01-0,15 |
| медь | 0,01-0,15 |
| никель | 0,01-0,15 |
| кремний | 0,01-0,1 |
| азот | 0,005-0,04 |
| углерод | 0,01-0,09 |
| титан | остальное |
(патент РФ №2086695)
Сплавы могут быть использованы для изготовления лонжеронов и шпангоутов самолетов. Однако они обладают низкими характеристиками прочности при двухосном растяжении (σвд), прочности при двухосном растяжении в надрезе (σвд Н), низким значением циклов до разрушения (N) при максимальном напряжении цикла 620 МПа и коэффициенте концентрации напряжений Кt=2,2 и низким значением σвд H/σвд, т.е. повышенной чувствительности к надрезу.
Недостатками изделий, выполненных из него, являются повышенная масса и низкая эксплуатационная надежность, обусловленная повышенной чувствительностью к надрезу.
Наиболее близким по химическому составу к заявляемому является сплав на основе титана следующего состава, мас.%:
| алюминий | 4,3-6,0 |
| молибден | 4,0-5,6 |
| ванадий | 4,0-5,6 |
| хром | 0,5-1,5 |
| железо | 0,5-1,5 |
| цирконий | 0,03-0,5 |
| медь | 0,003-0,15 |
| никель | 0,003-0,15 |
| азот | 0,01-0,05 |
| углерод | 0,01-0,2 |
| кислород | 0,02-0,2 |
| водород | 0,003-0,03 |
| титан | остальное |
(патент РФ №2082802)
Из этого сплава изготавливают конструкции из прутков, плит и штамповок: лонжероны, шпангоуты и другой силовой набор агрегатов и фюзеляжа самолета.
Недостатками сплава и изделий, выполненных из него, являются пониженные характеристики прочности при двухосном растяжении, долговечности, повышенная плотность и большая чувствительность к надрезу при комнатной температуре.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание сплава, обладающего высокими прочностными характеристиками при двухосном растяжении, пониженной чувствительности к надрезу, и пониженной плотностью, обеспечивающими снижение массы изделий, выполненных из него, и повышение их надежности в работе.
Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен сплав на основе титана, содержащий алюминий, ванадий, железо, цирконий, медь, хром, углерод, азот, кислород и водород, который дополнительно содержит кремний и марганец при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| алюминий | 5,3-6,8 |
| ванадий | 3,5-5,3 |
| железо | 0,02-0,6 |
| цирконий | 0,001-0,3 |
| медь | 0,001-0,095 |
| хром | 0,001-0,095 |
| углерод | 0,005-0,1 |
| азот | 0,005-0,05 |
| кремний | 0,01-0,15 |
| марганец | 0,001-0,15 |
| кислород | 0,02-0,2 |
| водород | 0,003-0,015 |
| титан | остальное, |
и изделие, выполненное из него.
Предложенный сплав дополнительно содержит кремний и марганец, обеспечивающие эффективное упрочнение α- и β- твердых растворов и способствующие формированию текстуры базиса при деформации, что сопровождается повышением прочности при двухосном растяжении.
В сплаве уменьшено количество легирующих элементов - железа и хрома, что позволило снизить плотность сплава, а следовательно, и вес изделий из него. Кроме того, предлагаемый сплав не содержит дорогой и дефицитный легирующий элемент - молибден, что позволяет снизить стоимость сплава, примерно, на 30%.
Примеры конкретного осуществления:
Вакуумно-дуговым методом с двумя переплавами изготавливали слитки предлагаемого сплава и сплава-прототипа. Слитки расковывали при всесторонней ковке на поковки. Из поковок изготавливали образцы, которые испытывали при комнатной температуре.
В табл.1 приведены химические составы, а в табл.2 - свойства прутков предлагаемого сплава и сплава-прототипа.
В предлагаемом сплаве характеристики конструкционной прочности при двухосном растяжении гладких (σВд) и надрезанных образцов (σВд H) повышены на 28 и 48%, соответственно, количество циклов до разрушения увеличено в семь раз, величина σвд Н/σвд повышена на 20%, ударная вязкость образцов с надрезом в виде трещин повышена на 30-50%.
Таким образом, применение предлагаемого сплава позволит снизить массу деталей и узлов на 25-35% и повысит ресурс работы конструкций, работающих в условиях двухосного растяжения в семь раз при одновременном снижении их стоимости.
| Таблица 1 | |||||||||||||||
| № п/п | Химический состав, мас.% | ||||||||||||||
| Ti | Al | V | Fe | Zr | Cu | Cr | С | N | Si | Mn | O2 | Н | Ni | Mo | |
| 1 | осн | 5,3 | 3,5 | 0,02 | 0,001 | 0,001 | 0,001 | 0,005 | 0,005 | 0,01 | 0,001 | 0,02 | 0,003 | - | |
| 2 | осн | 6,8 | 5,3 | 0,6 | 0,3 | 0,095 | 0,095 | 0,1 | 0,05 | 0,15 | 0,15 | 0,2 | 0,015 | - | |
| 3 | осн | 6,0 | 4,0 | 0,1 | 0,01 | 0,01 | 0,005 | 0,01 | 0,01 | 0,04 | 0,10 | 0,11 | 0,007 | - | |
| 4 | осн | 5,7 | 4,8 | 1,0 | 0,2 | 0,01 | 1,0 | 0,1 | 0,02 | - | - | 0,1 | 0,01 | 0,1 | 5,0 |
| Примеры 1-3 - хим. составы предлагаемого сплава, пример 4 - хим. состав сплава-прототипа. |
| Таблица 2 | ||||||
| № п/п | σВД, МПа | σВД H, МПа | σВД H/σВД | NЦ при σmax=620 МПа и Kt=2,2 | aту, МДж/м2 | Плотность, кг/м3 |
| 1 | 1310 | 1420 | 1,08 | 15700 | 0,15 | 4410 |
| 2 | 1350 | 1467 | 1,12 | 17700 | 0,2 | 4420 |
| 3 | 1310 | 1445 | 1,1 | 16400 | 0,17 | 4420 |
| 4 | 1040 | 930 | 0,89 | 2150 | 0,1 | 4720 |
1. Сплав на основе титана, содержащий алюминий, ванадий, железо, цирконий, медь, хром, углерод, азот, кислород, водород, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кремний и марганец при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| алюминий | 5,3-6,8 |
| ванадий | 3,5-5,3 |
| железо | 0,02-0,6 |
| цирконий | 0,001-0,3 |
| медь | 0,001-0,095 |
| хром | 0,001-0,095 |
| углерод | 0,005-0,1 |
| азот | 0,005-0,05 |
| кремний | 0,01-0,15 |
| марганец | 0,001-0,15 |
| кислород | 0,02-0,2 |
| водород | 0,003-0,015 |
| титан | остальное |
2. Изделие из сплава на основе титана, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п.1.
