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

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)
вд
вд
t
вд
вд
Н
H
Сплавы могут быть использованы для изготовления лонжеронов и шпангоутов самолетов. Однако они обладают низкими характеристиками прочности при двухосном растяжении (σ), прочности при двухосном растяжении в надрезе (σ ), низким значением циклов до разрушения (N) при максимальном напряжении цикла 620 МПа и коэффициенте концентрации напряжений К=2,2 и низким значением σ /σ, 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.
Вд
Вд
вд
вд
H
Н
В предлагаемом сплаве характеристики конструкционной прочности при двухосном растяжении гладких (σ) и надрезанных образцов (σ ) повышены на 28 и 48%, соответственно, количество циклов до разрушения увеличено в семь раз, величина σ /σ 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
O<sub>2</sub>
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<sub>ВД</sub>, МПа
σ<sub>ВД</sub> <sup>H</sup>, МПа
σ<sub>ВД</sub> <sup>H</sup>/σ<sub>ВД</sub>
N<sub>Ц</sub> при σ<sub>max</sub>=620 МПа и K<sub>t</sub>=2,2
a<sub>ту</sub>, МДж/м<sup>2</sup>
Плотность, кг/м<sup>3</sup>
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