СПЛАВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО
ALLOY ON BASIS OF TITANIUM AND PRODUCT, IMPLEMENTED OF IT

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.
В
В
100
100
1
1
400
450
400
450
7
н
Недостатками сплава и изделий из него являются пониженные характеристики: предела прочности при 400°С (σ ) и 450°С (σ ); длительной прочности за 100 ч при 400°С (σ ) и 450°С (σ ) и предела выносливости на базе 10 циклов гладкого образца (σ-) и образца с надрезом (σ-).
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
В
100
100
1
1
400
500
400
500
н
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 , σ ) повысился на 24-28%, предел длительной (за 100 ч) прочности (σ , σ ) повысился на 23-27%, предел выносливости (σ-, σ-) 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
O<sub>2</sub>
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
σ<sub>В</sub> <sup>400</sup>, МПа
σ<sub>В</sub> <sup>450</sup>, МПа
σ<sub>100</sub> <sup>400</sup>, МПа
σ<sub>100</sub> <sup>450</sup>, МПа
σ<sub>-1</sub>, МПа
σ<sup>н</sup> <sub>-1</sub>, 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
σ<sub>В</sub> <sup>400</sup> и σ<sub>В</sub> <sup>450</sup> - пределы прочности при 400 и 450°С;σ<sub>100</sub> <sup>400</sup> и σ<sub>100</sub> <sup>450 </sup>- пределы длительной (за 100 ч) прочности при 400 и 450°С;σ<sub>-1</sub> - предел выносливости гладкого образца на базе 10<sup>7</sup> циклов;σ<sup>н</sup> <sub>-1</sub> - предел выносливости образца с надрезом на базе 10<sup>7</sup> циклов при радиусе надреза r=0,75 мм.