Слоистый жаропрочный композиционный материал

 

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для изготовления жаропрочных изделий, работающих при температурах до 1200°С, в частности для изготовления камер сгорания и сопл реактивных ракетных двигателей. Предлагается слоистый жаропрочный композиционный материал, выполненный из последовательно чередующихся слоев ниобиевого сплава и титана со слоями ниобиевого сплава на поверхности материала с суммарной толщиной титана в материале 40-80% от его общей толщины, при толщине ниобиевого слоя 30-85% от толщины титанового слоя. Материал позволяет увеличить выход годного, снизить вес изделий и их стоимость. 1 табл.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для изготовления жаропрочных изделий, работающих при температурах до 1200^oC, в частности для изготовления камер сгорания и сопел реактивных ракетных двигателей.

Известен слоистый материал марки ТНТ (титан - ниобий - титан) ТУ1-809-116-82, выпускаемый в виде листов толщиной 6,5 мм и представляющий собой слоистую композицию, в которой наружный слой толщиной 0,25 мм выполнен из титана марки ВТ1-0, далее идет слой ниобиевого сплава ВН2АЭ толщиной 0,3 мм, затем слой титанового сплава ОТ4 толщиной 5,7 мм и тыльный слой из титана марки ВТ1-0 толщиной 0,25 мм (ТУ1-809-116-82).

Недостатком этого материала является то, что детали из него изготавливают методом "лоскутной" технологии - вырезают сегменты, сгибают, сваривают, обкатывают в аэродинамический профиль и отжигают, при этом из-за наличия сварных швов с литой структурой снижается надежность детали. Материал ТНТ ранее использовали для изготовления насадка сопла ракетного двигателя 11Д58М.

Также известен слоистый композиционный материал марки НТН (ниобий - титан - ниобий), представляющий собой 15-слойный слоистый лист толщиной 5,0 мм, выполненный из 8 слоев ниобиевого сплава НбЦУ (Nb - 1,2Zr - 0,1C) толщиной 0,5 мм каждый и прослоек из титана марки ВТ1-0 толщиной 0,14 мм (ТУ1-809-469-98), прототип.

После ротационный вытяжки на специальном стане получают бесшовный насадок сопла двигателя 11Д58М с толщиной стенки 1,2 мм при толщине каждого слоя сплава НбЦУ - 0,14 мм и прослоек из титана 0,035 мм.

Недостатком этого материала является крайне высокая стоимость при большой трудоемкости и нестабильности технологии изготовления материала и деталей из него. Стоимость изготовления одной детали (насадка) составляет более 100.000$ США. Также недостатком является значительный вес детали - 22 кг, при стоимости выведения 1 кг веса на орбиту оценивается приблизительно в 10.000$ США.

Предлагается слоистый жаропрочный композиционный материал, выполненный из последовательно чередующихся слоев ниобиевого сплава и титана со слоями ниобиевого сплава на поверхности материала, имеющий суммарную толщину слоев титана, составляющую 40 - 80% от общей толщины материала, при этом толщина ниобиевого сплава составляет 30 - 85% от толщины титанового слоя.

Предлагаемый слоистый жаропрочный композиционный материал отличается от прототипа тем, что суммарная толщина слоев титана составляет 40 - 80% от общей толщины материала, при этом толщина ниобиевого слоя составляет 30 - 85% от толщины титанового слоя.

Техническим результатом применения предлагаемого слоистого жаропрочного композиционного материала является уменьшение веса деталей из него за счет увеличения доли титана в материале, имеющего в 1,91 раза меньший удельный вес, чем ниобиевый сплав, и, соответственно, снижение стоимости выведения космических объектов на орбиту при его использовании в ракетно-космической технике.

Предлагаемый слоистый жаропрочный композиционный материал позволяет за счет уменьшения количества слоев сократить количество переходных зон в материале, снизить трудоемкость производства, соответственно, уменьшить количество дефектов, - за счет этого повышается качество материала и выход годного, а также за счет уменьшения доли ниобиевого сплава, стоимость которого за 1 кг более чем в 25 раз превышает стоимость титана.

Из листовых заготовок ниобиевого сплава НбЦУ (Nb-1,2Zr-0,1C) и технического титана марки ВТ1-0 методом диффузионной сварки и прокатки были изготовлены листы с различным соотношением толщин слоев. Из этих листов были раскатаны методом ротационной вытяжки натурные и модельные насадки ракетных сопел для исследования качества, технологических и служебных параметров производства и работоспособности материала. Результаты исследований представлены в таблице.

Анализ таблицы показывает, что предлагаемый материал (NN 2 - 8) имеет рабочие характеристики по времени наработки и количеству включений на уровне прототипа. Материал НТН-М N 5 имеет более низкий выход годного, чем зафиксированный при изготовлении деталей из материала - прототипа (НТН).

Таким образом, только предлагаемый материал с заявляемыми характеристиками (см. таблицу, NN 2, 3, 4, 6, 7, 8) имеет служебные свойства на уровне прототипа, превосходя его по выходу годного при производстве, имея значительно меньшую стоимость, а использование его в детали (насадке сопла двигателя 11Д58М) позволяет снизить ее вес на 2,5 - 5,7 кг при обеспечении рабочих характеристик реактивного ракетного двигателя 11Д58М.

Формула изобретения

Слоистый жаропрочный композиционный материал, выполненный из последовательно чередующихся слоев ниобиевого сплава и титана с поверхностными слоями из ниобиевого сплава, отличающийся тем, что суммарная толщина слоев титана в материале составляет 40 - 80% от общей толщины материала, а толщина ниобиевого слоя - 30 - 85% от толщины титанового слоя.

РИСУНКИ

Рисунок 1