СПЛАВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО Российский патент 2009 года по МПК C22C14/00 

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 (σ_вд), прочности при двухосном растяжении в надрезе (σ_вд ^Н), низким значением циклов до разрушения (N) при максимальном напряжении цикла 620 МПа и коэффициенте концентрации напряжений К_t=2,2 и низким значением σ_вд ^H/σ_вд, 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 (σ_Вд) и надрезанных образцов (σ_Вд ^H) повышены на 28 и 48%, соответственно, количество циклов до разрушения увеличено в семь раз, величина σ_вд ^Н/σ_вд 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 σ_ВД, МПа σ_ВД ^H, МПа σ_ВД ^H/σ_ВД N_Ц при σ_max=620 МПа и K_t=2,2 a_ту, 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

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.

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.