Сплав на основе титана и изделие, выполненное из него

 

Изобретение относится к созданию титановых сплавов, предназначенных для использования в качестве конструкционного материала, работающего при повышенных температурах. Сплав имеет следующий химический состав, мас.%: алюминий 4,5-7,3, молибден 0,4 - 3,8, цирконий 3,0-5,0, олово 1,5-3,5, ниобий 0,5-2,0, железо 0,04-0,28, кремний 0,05-0,5, гадолиний 0,01-0,2, углерод 0,01-0,3, кислород 0,04-0,2, водород 0,005-0,3, азот 0,005-0,04, титан остальное. Предлагаемый состав позволит повысить жаропрочные характеристики сплава и изделий, выполненных из него; предел длительной 100-часовой прочности при 500^oС - на 30%, при 600^oС - на 70%; предел ползучести (100 ч) при 500^oС - на 80%, при 600^oC - на 200%. Применение предложенного сплава позволит снизить массу деталей и узлов на 50% и более и повысить полезную нагрузку самолетов. 2 с.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к авиационной технике и цветной металлургии, в частности к созданию титановых сплавов, предназначенных для использования в качестве конструкционного материала, работающего при повышенных температурах.

Известен сплав, содержащий следующие компоненты, мас.%: алюминий - 5,0-6,8 ванадий - 3,5-4,5 цирконий - 0,01-0,3 железо - 0,1-0,28 кремний - 0,01-0,11 хром - 0,0-0,15 марганец - 0,01-0,15 медь - 0,01-0,15 никель - 001-0,15
углерод - 0,01-0,09
азот - 0,005-0,04
титан - остальное /1/.

Из этого сплава изготавливают детали авиационной техники, работающие при повышенных температурах.

Недостатком этого сплава являются пониженные характеристики длительной прочности за 100 часов при температурах 500 и 600^oC ( и ) и предела ползучести за 100 часов при 500 и 600^oC ( и ). Изделия из этого сплава имеют низкие характеристики по жаропрочности и большую массу.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является сплав на основе титана следующего состава, мас.%:
алюминий - 5,0-7,0
молибден - 2,0-4,0
цирконий - 2,5-6,0
олово - 3,0-5,0
ниобий - 0,3-2,0
железо - до 0,1
кремний - 0,005-0,8
углерод - 0,05-0,8
кислород - 0,05-0,2
титан - остальное /2/.

Этот сплав также обладает пониженными жаропрочными характеристиками ; ; ; . Изделия из него обладают большой массой, что утяжеляет конструкцию авиационной техники.

Технической задачей изобретения является повышение характеристик жаропрочности сплава и уменьшение массы изделий, выполненных из него.

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен сплав на основе титана, содержащий алюминий, молибден, цирконий, олово, ниобий, железо, кремний, углерод и кислород, дополнительно содержащий гадолиний, водород и азот, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
алюминий - 4,5-7,3
молибден - 0,4-3,8
цирконий - 3,0-5,0
олово - 1,5-3,5
ниобий - 0,5-2,0
железо - 0,04-0,28
кремний - 0,05-0,5
гадолиний - 0,01-0,2
углерод - 0,01-0,3
кислород - 0,04-0,2
водород - 0,005-0,3
азот - 0,005-0,04
титан - остальное
Сплав и изделие, выполненное из него, легирован комплексом β-стабилизирующих элементов (Nb, Mo, Si, Fe, Н), α-стабилизирующих (Al, O₂, N) и нейтральных упрочнителей (Zr, Sn), что обеспечивает эффективное упрочнение α - и β-твердых растворов и однородное участие их в нагружении.

Авторами было установлено, что введение в сплав азота (в пределах растворимости в α-фазе) обеспечивает повышение жаропрочности α-матрицы. Присутствие в сплаве модифицирующей добавки гадолиния обеспечивает однородное распределение интерметаллидов, α₂ -фазы и силицидов, что в свою очередь повышает жаропрочные характеристики.

Содержание регламентированного количества водорода, наряду с другими элементами предлагаемого сплава, обеспечивает получение требуемого комплекса механических свойств.

Были исследованы механические свойства сплавов трех составов, входящих в заявленный сплав (1, 2, 3).

Для получения сравнительных данных выплавляли слитки составов предлагаемого сплава и сплава-прототипа. Слитки ковали на плиты и прокатывали в листы толщиной 1,0 мм. Из заготовок листов изготавливали образцы, которые подвергали испытаниям при температуре 500 и 600^oC (таблица).

Предлагаемый состав позволит повысить жаропрочные характеристики сплава и изделий, выполненных из него: предел длительной 100-часовой прочности при 500^oC - на 20%, при 600 - на 35%; предел ползучести (100 часов) при 500^oC - на 35%, при 600^oC - на 40%.

Применение предложенного сплава позволит снизить массу деталей и узлов на 50% и более и повысить полезную нагрузку самолетов.

Литература
1. Патент РФ N 2086695, кл. C 22 C 14/00.

2. Патент US 5922274, кл. C 22 C 14/00.

Формула изобретения

1. Сплав на основе титана, содержащий алюминий, молибден, цирконий, олово, ниобий, железо, кремний, углерод и кислород, отличающийся тем, что он дополнительно содержит гадолиний, водород и азот при следующем соотношении компонентов, маc.%:
Алюминий - 4,5-7,3
Молибден - 0,4 - 3,8
Цирконий - 3,0 - 5,0
Олово - 1,5-3,5
Ниобий - 0,5-2,0
Железо - 0,04 - 0,28
Кремний - 0,05 - 0,5
Гадолиний - 0,01-0,2
Углерод - 0,01-0,3
Кислород - 0,04 - 0,2
Водород - 0,005 - 0,3
Азот - 0,005 - 0,04
Титан - Остальное
2. Изделие, выполненное из сплава на основе титана, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава следующего химического состава, маc.%:
Алюминий - 4,5 - 7,3
Молибден - 0,4 - 3,8
Цирконий - 3,0 - 5,0
Олово - 1,5 - 3,5
Ниобий - 0,5 - 2,0
Железо - 0,04 - 0,28
Кремний - 0,05 - 0,5
Гадолиний - 0,01 - 0,2
Углерод - 0,01 - 0,3
Кислород - 0,04 - 0,2
Водород - 0,005 - 0,3
Азот - 0,005 - 0,04
Титан - Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1