RU2356977C2

RU2356977C2 - Сплав на основе титана и изделие, выполненное из него

Info

Publication number: RU2356977C2
Application number: RU2007121103/02A
Authority: RU
Inventors: Евгений Николаевич Каблов (RU); Евгений Николаевич Каблов; Анатолий Иванович Хорев (RU); Анатолий Иванович Хорев; Надежда Алексеевна Ночовная (RU); Надежда Алексеевна Ночовная
Priority date: 2007-06-06
Filing date: 2007-06-06
Publication date: 2009-05-27
Also published as: RU2007121103A

Abstract

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.

Description

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.%
№ п/п	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

Claims

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.