Сплав на основе титана и изделие, выполненное из него
Владельцы патента RU 2304178:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU)
Изобретение относится к созданию титановых сплавов, предназначенных для изготовления деталей и узлов авиакосмической и ракетной техники: баллонов, шпангоутов, лонжеронов, стрингеров, нервюр, деталей крепления и др. Сплав имеет следующий химический состав, мас.%: алюминий 4,3-6,8; ванадий 4,0-5,6; молибден 1,5-3,5; хром 0,5-2,5; цирконий 0,6-1,5; железо 0,1-1,0; медь 0,16-0,5; вольфрам 0,001-0,2; марганец 0,001-0,2; кислород 0,02-0,2; углерод 0,02-0,2; водород 0,003-0,03; титан - остальное. Повышается предел прочности сплава на 15% при температуре минус 196°С, ударной вязкости на 40%, трещиностойкости на 50%. Снижается масса изделий и узлов на 15%, повышается эксплуатационная надежность их работы. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к авиационной технике и цветной металлургии, а именно к созданию титановых сплавов, предназначенных для изготовления деталей и узлов авиакосмической и ракетной техники: баллонов, шпангоутов, лонжеронов, стрингеров, нервюр, деталей крепления и др.
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 деталей и узлов авиакосмической техники: лонжеронов, кронштейнов и т.д.
Недостатками сплава являются низкие эксплуатационные характеристики при криогенной (-196°С) температуре.
Недостатком изделий является низкая эксплуатационная надежность при криогенной (-196°С) температуре.
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 этого сплава изготавливают шпангоуты, лонжероны и др. узлы авиакосмической и ракетной техники.
Недостатками сплава являются пониженные характеристики предела прочности, ударной вязкости и трещиностойкости при криогенной (-196°С) температуре.
Недостатками изделий из этого сплава, работающих в космосе, являются низкие эксплуатационные свойства при криогенной (-196°С) температуре.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному сплаву является 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 являются пониженный предел прочности, ударная вязкость и трещиностойкость при криогенной (-196°С) температуре.
Изделия из этого сплава, работающие в космическом пространстве, обладают невысокими эксплуатационными свойствами и пониженной надежностью.
Технической задачей изобретения является повышение прочности, ударной вязкости, трещиностойкости (КСТ) при криогенной (-196°С) температуре и снижение массы изделий, эксплуатируемых в космосе, и изделий со сжиженным газом (азотом).
Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен сплав на основе титана, содержащий алюминий, ванадий, молибден, хром, цирконий, железо, медь, кислород, углерод, водород, который дополнительно содержит вольфрам и марганец, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| алюминий | 4,3-6,8 |
| ванадий | 4,0-5,6 |
| молибден | 1,5-3,5 |
| хром | 0,5-2,5 |
| цирконий | 0,6-1,5 |
| железо | 0,1-1,0 |
| медь | 0,16-0,5 |
| вольфрам | 0,001-0,2 |
| марганец | 0,001-0,2 |
| кислород | 0,02-0,2 |
| углерод | 0,02-0,2 |
| водород | 0,003-0,03 |
| титан | остальное |
и изделие, выполненное из него.
Предлагаемый сплав легирован комплексом α-стабилизирующих элементов (Al, O2), β-стабилизирующих элементов (Мо, V, Cr, Fe, H) и нейтральных упрочнителей (Zr), что обеспечивает эффективное упрочнение α- и β-твердых растворов и однородное участие их в процессе нагружения.
Авторами было установлено, что дополнительное содержание в предлагаемом сплаве вольфрама и марганца (в пределах растворимости в α-фазе) при заявленном содержании остальных компонентов обеспечивает равенство прочности α- и β-фаз, уменьшает внутреннюю концентрацию напряжений и повышает прочность, трещиностойкость и ударную вязкость при криогенной (-196°С) температуре.
Примеры конкретного осуществления
Вакуумно-дуговым методом выплавляли слитки предлагаемого сплава и сплава-прототипа. Слитки ковали на прессах, затем подвергали горячей прокатке и изготавливали плиты. Из заготовок плит получали образцы, которые испытывали при температуре (-196°С).
В табл.1 приведены составы и в табл.2 свойства предлагаемого сплава и сплава-прототипа.
В предлагаемом сплаве предел прочности при температуре (-196°С) повысился на 15%, ударная вязкость на 40% и трещиностойкость на 50%.
Таким образом, применение предлагаемого сплава позволит снизить массу деталей и узлов на 15% за счет повышения уровня прочности (σB) и повысить эксплуатационную надежность работы конструкций, что обусловлено повышением ударной вязкости (KCU) и трещиностойкости (КСТ) сплава.
| Таблица 1 | |||||||||||||||
| №п/п | Химический состав, мас.% | ||||||||||||||
| Ti | Al | V | Мо | Cr | Zr | Fe | Cu | W | Mn | О2 | С | H2 | N | Ni | |
| 1 | Осн. | 4,3 | 4,0 | 1,5 | 0,5 | 0,6 | 0,1 | 0,16 | 0,001 | 0,001 | 0,02 | 0,02 | 0,003 | - | - |
| 2 | Осн. | 5,6 | 4,8 | 2,5 | 1,5 | 1,1 | 0,6 | 0,33 | 0,105 | 0,1 | 0,11 | 0,11 | 0,017 | - | - |
| 3 | Осн. | 6,8 | 5,6 | 3,5 | 2,5 | 1,5 | 1,0 | 0,5 | 0,2 | 0,2 | 0,2 | 0,2 | 0,03 | - | - |
| 4 прототип | Осн. | 5,2 | 4,8 | 4,8 | 1,0 | 0,27 | 1,0 | 0,077 | - | - | 0,11 | 0,11 | 0,017 | 0,03 | 0,077 |
| Таблица 2 | |||||||||||||||
| №п/п | Свойства сплава при температуре испытания (-196°С) | ||||||||||||||
| σB, МПа | KCU, МДж/м2 | КСТ, МДж/м2 | |||||||||||||
| 1 | 1600 | 0,3 | 0,18 | ||||||||||||
| 2 | 1650 | 0,25 | 0,15 | ||||||||||||
| 3 | 1620 | 0,27 | 0,17 | ||||||||||||
| 4 прототип | 1420 | 0,18 | 0,11 | ||||||||||||
| σB - предел прочности; KCU - ударная вязкость на образце с U-образным надрезом; КСТ - удельная работа разрушения образца с трещиной при ударном изгибе. |
1. Сплав на основе титана, содержащий алюминий, ванадий, молибден, хром, цирконий, железо, медь, кислород, углерод, водород, отличающийся тем, что он дополнительно содержит вольфрам и марганец при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| алюминий | 4,3-6,8 |
| ванадий | 4,0-5,6 |
| молибден | 1,5-3,5 |
| хром | 0,5-2,5 |
| цирконий | 0,6-1,5 |
| железо | 0,1-1,0 |
| медь | 0,16-0,5 |
| вольфрам | 0,001-0,2 |
| марганец | 0,001-0,2 |
| кислород | 0,02-0,2 |
| углерод | 0,02-0,2 |
| водород | 0,003-0,03 |
| титан | остальное |
2. Изделие из сплава на основе титана, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п.1.
