Сплав на основе титана и изделие, выполненное из него

Сплав на основе титана и изделие, выполненное из него

Реферат

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 (σ_В ⁴⁰⁰) и 450°С (σ_В 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 (σ^н-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 (σ_В ⁴⁰⁰, σ_В ⁵⁰⁰) повысился на 24-28%, предел длительной (за 100 ч) прочности (σ₁₀₀ ⁴⁰⁰, σ₁₀₀ ⁵⁰⁰) повысился на 23-27%, предел выносливости (σ-₁, σ^н-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.