Сплав на основе титана и изделие, выполненное из него
Владельцы патента RU 2356978:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU)
Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к созданию титановых сплавов. Может использоваться для изготовления деталей и узлов авиакосмической и ракетной техники, материал которых работает в условиях высоких температур. Сплав на основе титана содержит, мас.%: алюминий 3,0-7,0, молибден 1,5-3,0, хром 0,8-2,3, железо 0,2-0,7, цирконий 0,001-0,095, вольфрам 0,001-0,095, кремний 0,16-0,6, кислород 0,03-0,2, титан - остальное. Сплав обладает высокой прочностью и длительной прочностью при высокой температуре и высокой выносливостью, что позволяет снизить массу деталей и узлов и повысить ресурс работы конструкций. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к созданию титановых сплавов, предназначенных для изготовления кронштейнов, панелей, силовых элементов носовых обтекателей и других деталей, материал которых работает в условиях высоких температур в авиационной, космической и ракетной технике, а также цветной металлургии.
Известен сплав на основе титана, имеющий 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 | 0,05-0,14 |
| титан | остальное |
(Патент США №5759484).
Сплав может быть использован для изготовления силовых элементов конструкций, типа кронштейнов, балок и других деталей и узлов авиакосмической техники.
Недостатками сплава являются низкие эксплуатационные характеристики при работе в условиях высоких температур.
Недостатком изделий является низкая эксплуатационная надежность. Известен сплав на основе титана, имеющий химический состав, мас.%:
| алюминий | 2,0-6,8 |
| молибден | 0,5-3,8 |
| ванадий | 2,0-9,0 |
| хром | 0,4-1,6 |
| железо | 0,2-1,2 |
| цирконий | 0,02-0,3 |
| кислород | 0,04-0,14 |
| углерод | 0,02-0,09 |
| водород | 0,003-0,014 |
| азот | 0,008-0,04 |
| кремний | 0,04-0,14 |
| титан | остальное |
(Патент РФ №1131234).
Из сплава изготавливают конструкции авиакосмической и ракетной техники (типа подвесок двигателя).
Недостатками сплава и изделий из него являются пониженные характеристики кратковременной и длительной прочности при высоких температурах.
Известен также сплав на основе титана следующего химического 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 |
| кислород | 0,02-0,2 |
| углерод | 0,01-0,2 |
| водород | 0,003-0,03 |
| азот | 0,01-0,05 |
| медь | 0,003-0,15 |
| никель | 0,003-0,15 |
| титан | остальное |
(Патент РФ №2082802).
Из этого сплава изготавливают детали и узлы авиакосмической и ракетной техники.
Недостатками сплава и изделий из него являются пониженные прочностные характеристики при высокой температуре и низкие значения предела выносливости.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является сплав на основе титана следующего химического состава, мас.%:
| алюминий | 4,0-6,5 |
| молибден | 1,5-2,5 |
| ванадий | 4,0-5,0 |
| хром | 0,8-1,4 |
| железо | 0,4-1,2 |
| вольфрам | 0,01-0,3 |
| цирконий | 0,02-0,3 |
| медь | 0,003-0,1 |
| никель | 0,003-0,1 |
| титан | остальное |
(Патент РФ №1695696).
Из этого сплава-прототипа изготавливают детали и узлы ракетной и космической техники.
Недостатками сплава и изделий из него являются пониженные характеристики: предела прочности при 400°С (σВ 400) и 450°С (σВ 450); длительной прочности за 100 ч при 400°С (σ100 400) и 450°С (σ100 450) и предела выносливости на базе 107 циклов гладкого образца (σ-1) и образца с надрезом (σн-1).
Технической задачей изобретения является создание сплава и изделий из него, обладающих повышенными характеристиками прочности при высокой температуре и предела выносливости.
Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен сплав на основе титана, содержащий алюминий, молибден, хром, железо, цирконий, вольфрам, который дополнительно содержит кремний и кислород при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| алюминий | 3,0-7,0 |
| молибден | 1,5-3,0 |
| хром | 0,8-2,3 |
| железо | 0,2-0,7 |
| цирконий | 0,001-0,095 |
| вольфрам | 0,001-0,095 |
| кремний | 0,16-0,6 |
| кислород | 0,03-0,2 |
| титан | остальное |
и изделие, выполненное из него.
Авторами было установлено, что введение в предлагаемый сплав большого количества кремния (0,16-0,6 мас.%) и введение кислорода при заявленном содержании остальных компонентов обеспечивает повышение характеристик прочности при повышенных температурах и предела выносливости.
Кроме того, предлагаемый сплав дешевле, т.к. не содержит дорогостоящего и дефицитного ванадия.
Примеры конкретного осуществления
Вакуумно-дуговым методом выплавляли слитки предлагаемого сплава и сплава-прототипа. Слитки ковали на прессах, за несколько стадий после предварительных нагревов и получали прутки диаметром 25 мм. Из полученных прутков изготавливали образцы для испытаний.
В таблице 1 приведены составы, а в таблице 2 свойства предлагаемого сплава и сплава-прототипа. Как видно из таблицы 2, в предлагаемом сплаве предел прочности при 400-450°С (σВ 400, σВ 500) повысился на 24-28%, предел длительной (за 100 ч) прочности (σ100 400, σ100 500) повысился на 23-27%, предел выносливости (σ-1, σн-1) повысился на 15%.
Таким образом, применение предлагаемого сплава позволит снизить массу деталей и узлов на 20-25% за счет повышения уровня прочностных характеристик при высокой температуре и повысить ресурс работы конструкций за счет увеличения предела выносливости.
| Таблица 1 | ||||||||||||
| № | Химический состав, мас.% | |||||||||||
| Al | Mo | Cr | Fe | Zr | W | Si | O2 | Ni | V | Cu | Ti | |
| 1 | 3,0 | 1,5 | 0,8 | 0,2 | 0,001 | 0,001 | 0,16 | 0,03 | Осн. | |||
| 2 | 5,5 | 2,0 | 1,5 | 0,4 | 0,03 | 0,1 | 0,3 | 0,1 | ''-'' | |||
| 3 | 7,0 | 3,0 | 2,3 | 0,7 | 0,095 | 0,095 | 0,6 | 0,2 | ''-'' | |||
| 4 | 5,0 | 2,2 | 1 | 0,7 | 0,1 | 0,15 | 0,02 | 4,5 | 0,02 | ''-'' |
| Таблица 2 | ||||||
| № п/п | σВ 400, МПа | σВ 450, МПа | σ100 400, МПа | σ100 450, МПа | σ-1, МПа | σн -1, МПа; r=0,75 |
| 1 | 1020 | 950 | 990 | 910 | 646 | 450 |
| 2 | 1027 | 954 | 995 | 916 | 647 | 470 |
| 3 | 1034 | 960 | 998 | 917 | 652 | 490 |
| 4 - прототип | 820 | 740 | 806 | 715 | 568 | 260 |
| σВ 400 и σВ 450 - пределы прочности при 400 и 450°С; σ100 400 и σ100 450 - пределы длительной (за 100 ч) прочности при 400 и 450°С; σ-1 - предел выносливости гладкого образца на базе 107 циклов; σн -1 - предел выносливости образца с надрезом на базе 107 циклов при радиусе надреза r=0,75 мм. |
1. Сплав на основе титана, содержащий алюминий, молибден, хром, железо, цирконий, вольфрам, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кремний и кислород при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| алюминий | 3,0-7,0 |
| молибден | 1,5-3,0 |
| хром | 0,8-2,3 |
| железо | 0,2-0,7 |
| цирконий | 0,001-0,095 |
| вольфрам | 0,001-0,095 |
| кремний | 0,16-0,6 |
| кислород | 0,03-0,2 |
| титан | остальное |
2. Изделие из сплава на основе титана, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п.1.
