CC BY
47
ВИАМ/2014-Тр-11 -02
^ 1
шй
УДК 669.018.95
DOI: 10.18577/2307-6046-2014-0-11 -2-2
ЭКОНОМНОЛЕГИРОВАННЫЕ ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ ДЛЯ СЛОИСТЫХ МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Н.А. Ночовная доктор технических наук
П.В. Панин
кандидат технических наук Е.Б. Алексеев К.А. Боков
Ноябрь 2014
Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП «ВИАМ» ГНЦ) - крупнейшее российское государственное материаловедческое предприятие, на протяжении 80 лет разрабатывающее и производящее материалы, определяющие облик современной авиационно-космической техники. 1700 сотрудников ВИАМ трудятся в более чем тридцати научно-исследовательских лабораториях, отделах, производственных цехах и испытательном центре, а также в четырех филиалах института. ВИАМ выполняет заказы на разработку и поставку металлических и неметаллических материалов, покрытий, технологических процессов и оборудования, методов защиты от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов, полуфабрикатов и изделий на их основе. Работы ведутся как по государственным программам РФ, так и по заказам ведущих предприятий авиационно-космического комплекса России и мира.
В 1994 г. ВИАМ присвоен статус Государственного научного центра РФ, многократно затем им подтвержденный.
За разработку и создание материалов для авиационно-космической и других видов специальной техники 233 сотрудникам ВИАМ присуждены звания лауреатов различных государственных премий. Изобретения ВИАМ отмечены наградами на выставках и международных салонах в Женеве и Брюсселе. ВИАМ награжден 4 золотыми, 9 серебряными и 3 бронзовыми медалями, получено 15 дипломов.
Возглавляет институт лауреат государственных премий СССР и РФ, академик РАН, профессор Е.Н. Каблов.
УДК 669.018.95
DOI: 10.18577/2307-6046-2014-0-11-2-2
Н.А. Ночовная1, П.В. Панин1, Е.Б. Алексеев1, К.А. Боков1
ЭКОНОМНОЛЕГИРОВАННЫЕ ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ ДЛЯ СЛОИСТЫХ
МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Разработаны два опытных экономнолегированных титановых сплава: псевдо-a-(Ti-Fe-Zr-O—N) и a+ß (Ti—Al— V-FeJ-класса - для создания титан-полимерных слоистых композиционных материалов, позволяющих обеспечить снижение массы на 20% по сравнению с цельнометаллическими конструкциями из алюминиевых сплавов. Новые сплавы содержат микродобавки РЗМ и обладают повышенными механическими и эксплуатационными свойствами.
Ключевые слова: экономнолегированные титановые сплавы, металлополимер-ные слоистые композиционные материалы, прочность, ударная вязкость.
N.A. Nochovnaya, P. V. Panin, E.B. Alexeev, K.A Bokov
LOW-COST ALLOYED TITANIUM ALLOYS FOR METAL-POLYMER LAMINATES
Two pilot low-cost alloyed near-a-(Ti—Fe - Zr - O—N) and a+P (Ti-Al- V-Fe)-alloys have been developed specially for titanium-polymer laminates, which allow a 20 percent weight reduction in comparison to that of bulk aluminum-based alloys constructions. The new alloys are doped with REM and possess increased mechanical and service properties.
Keywords: low-cost titanium alloys, metal-polymer laminates, strength, impact toughness.
^Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal state unitary enterprise «All-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation] E-mail: [email protected]
Введение
Создание перспективных воздушных судов и реактивных двигателей нового поколения в равной степени требует применения новых материалов и обеспечения экономической эффективности, что отражено в «Стратегических направлениях развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года», разработанных в ВИАМ [1]. Разработка новых конструкционных материалов направлена в первую очередь на повышение удельных характеристик [2], что связано с постоянно возрастающими требованиями к весовой эффективности конструкций при обязательном условии обеспечения заданного комплекса механических и эксплуатационных свойств материалов. В связи с этим в настоящее время проводятся интенсивные исследования в области гибридных материалов нового класса - слоистых металлополимерных композиционных материалов [3]. Данные композиционные материалы имеют в своей основе тонкие листовые полуфабрикаты из легких сплавов, которые чередуются с препрегами из стекло-или углепластика. Наибольшее развитие в этой области получили так называемые СИАЛы - материалы на основе стеклопластика и алюминия [4, 5]. Помимо алюминиевых сплавов в металлополимерных композиционных материалах используются также сплавы на основе титана, что позволяет существенно повысить удельные прочностные свойства гибридного материала. Кроме того, весовая эффективность конструкций из титан-полимерных композиционных материалов дает возможность обеспечить снижение массы на 20% по сравнению с цельнометаллическими конструкциями из алюминиевых сплавов и слоистых композиционных материалов системы Ti - TiAl3 [6, 7].
Титановые сплавы обладают непревзойденными удельными характеристиками [8], но к настоящему времени практически все возможности по увеличению прочности и снижению плотности традиционных титановых сплавов исчерпаны [9]. Кроме того, многие высокотехнологичные титановые сплавы (например, сплавы ВТ38, ВТ23, SP-700, Beta CEZ) имеют сложную систему легирования и содержат дефицитные и дорогостоящие элементы. В связи с этим данная работа посвящена разработке новых экономно-легированных титановых сплавов для применения в слоистых гибридных материалах.
Объекты и методы исследования
Композиции опытных экономнолегированных титановых сплавов (табл. 1) определены на основании предварительно проведенных патентно-технических исследований
и моделирования с помощью специализированного программного обеспечения JMatPro (Sente Software).
Таблица 1
Номинальный химический состав опытных экономнолегированных
титановых сплавов
Условный Содержание элементов, % (по массе) Фазо-
номер Al V Fe Zr O, N Gd Т1 вый
композиции состав
1 2,0 — 1,2 1,0 — — Остальное a (+ß)
2 — — Е= 2,2 0,3 — Остальное а (+ß)
3 — — Е= 2,0 0,3 0,2 Остальное а (+ß)
4 4,4 Е= 3,0 — — — Остальное а+ß
5 4,3 Е= 3,0 — — 0,3 Остальное а+ß
6 4,5 1,9 1,1 — — 0,5 Остальное а+ß
Экспериментальные слитки массой ~ 30 кг выплавляли методом вакуумно-дуговой плавки с расходуемым электродом в печи ALD VAR L200. Для достижения химической и структурно-фазовой однородности слитков применен тройной переплав.
Механические испытания проводили на универсальной испытательной машине Zwick.
Результаты и обсуждение
Концепция «экономного легирования» титановых сплавов основана на выборе таких легирующих элементов, которые имели бы относительно небольшую стоимость и/или входили бы в состав наиболее доступных лигатур. Выполнение данных условий позволяет удешевить процесс производства и, соответственно, снизить себестоимость полуфабрикатов и готовых изделий без существенной потери в механических и эксплуатационных свойствах.
К экономнолегированным титановым сплавам относятся малолегированные сплавы, не содержащие дорогостоящих и/или дефицитных элементов (Мо, Та, ЫЬ, W и др.) и имеющие в основе систем легирования относительно дешевые компоненты с технической чистотой (А1, Бе, Си и т. п.) [8 -10]. При шихтовке таких сплавов часто используются доступные «естественные лигатуры» - ферротитан и феррованадий. К преимуществам экономнолегированных титановых сплавов следует также отнести широ-
кие возможности использования лома и отходов титанового производства при выплавке. Сплавы также могут быть легированы микродобавками РЗМ [11].
Однако основными недостатками этой группы сплавов являются недостаточный уровень и нестабильность свойств, вследствие чего в настоящее время они рекомендованы к применению в основном в «наземных объектах» (медицинские имплантаты, детали автомобилей и различные декоративные изделия). В последнее время с развитием металлополимерных композиционных материалов экономнолегированные сплавы титана стали рассматриваться как перспективные листовые сплавы для слоистых титан-полимерных композитов авиационного и космического назначения.
С начала 2000-х гг. в ВИАМ интенсифицированы исследования в области малолегированных титановых сплавов, и уже в 2004 г. получен патент на «Сплав на основе титана и изделие, выполненное из него» [12]. Предложенный новый экономнолегиро-ванный сплав содержит железо, азот и кислород в качестве основных легирующих элементов, а также небольшое количество молибдена для упрочнения (в % по массе): ^ -основа, (0,6-1,0) Fe, (0,3-0,6) Mo, (0,3-0,4) O, (0,04-0,05) N. Сплав имеет умеренные прочностные свойства (ов=800-890 МПа), хорошую пластичность (5 = 18,4-26,8%) и повышенную ударную вязкость (КСЦ = 520-560 кДж/м ). Данный сплав рекомендован для применения в изделиях медицинского назначения, так как обладает повышенной биологической инертностью и не содержит токсичных элементов - например ванадия. Однако основным недостатком сплава является его недостаточная низкотемпературная технологичность, что не позволяет изготавливать из него тонколистовые полуфабрикаты. Прочность сплава также недостаточна для применения его в авиационных деталях ответственного назначения.
По состоянию на первую половину 2014 г. можно выделить несколько экономноле-гированных титановых сплавов, которые нашли практическое применение в различных областях машиностроительной отрасли (табл. 2).
В данной работе система легирования псевдо-а-сплава выбрана в соответствии с традиционными условиями для данной группы сплавов, т. е. необходимостью создания стабильной гомогенной структуры (> 95% (объемн.) а-фазы, до 5% (объемн.) Р-фазы) и повышения прочности за счет нейтральных упрочнителей.
Таблица 2
Промышленные и опытные экономнолегированные титановые сплавы
Год получения патента Состав сплава, % (по массе) Коммерческое обозначение Разработчик (страна) Источник
1999 Ti - 4Al - 2,5V - 1,5Fe - 0,25O - TIMET Corp. (США) [13]
2001 -2006 Ti - 5Al - 5V - 5Mo - 3Cr - 0,5Fe Ti - 3Al - 5V - 5Mo - 3Cr - 0,5Fe Ti-5553 Ti-3553 ВСМПО - АВИСМА (РФ) [14 -17]
2004 Ti - 6Al - 0,5 .. ,4,0Fe - 0,5N- 0,2O (+0,5% по массе РЗМ) - Daido Steel Co. (Япония) [18]
2004 Ti - 0,8Fe - 0,45Mo - 0,35O - 0,045N - ВИАМ (РФ) [12]
2005 Ti - 6Al - 1,8Fe - 0,1Si Ti-62S TIMET Corp. (США) -
2007 Ti - 1Al - 0,5Si - 0,3Nb - Kobe Steel Ltd. (Япония) [19]
2007 Ti - 1Cu- 0,5Nb - Nippon Steel Corp. (Япония) [20]
2009 Ti - 5Al - 1Sn - 1Fe - 1Cr Ti -5111 Baoji Titanium Ind. Co. (КНР) -
2011 Ti - 1Fe - 0,35O - 0,01N Ti - 1Fe - 0,30O - 0,04N Super-TIX800 Super-TIX800N Nippon Steel Corp. (Япония) [21]
2012 Ti - 4Al - 0,1O - 0,1Hf- V,Mo,Cr,Fe - Messier-Dowty SA (Франция) -
2012 Ti-6,5Al- 1,7 V-1,7Mo-0,4Si-0,15Fe-0,2O-0,03C - TIMET Corp. (США) [22]
Псевдо-а-сплав выбранной композиции является низколегированным и содержит небольшое количество (до 1,2% по массе) эвтектоидообразующего элемента (Fe) и нейтрального упрочнителя ^г), а также нетрадиционные а-стабилизаторы - кислород и азот, использование которых взамен обычного а-стабилизатора алюминия позволило не только эффективно стабилизировать а-фазу, но и достичь значительного эффекта растворного упрочнения. В свою очередь легирование элементами внедрения (в основном бором, азотом и/или углеродом, реже - кислородом) приводит к двойному эффекту -растворному упрочнению и дисперсионному твердению за счет выделения частиц бо-ридов, карбидов и оксидов [23 -26]. Введение в сплав микродобавок РЗМ (Gd) привело к эффективному модифицированию грубопластинчатой литой структуры.
Группа двухфазных (а+Р)-сплавов имеет «классическую» систему легирования ^ -Al - V - Fe: а-стабилизатор - алюминий, изоморфный Р-стабилизатор - ванадий, недорогой эвтектоидообразующий Р-стабилизатор - железо, а также РЗМ - гадолиний. В отожженном состоянии опытный сплав системы ^ - 4,3Al - 3(V+Fe) - 0,3Gd содержит до 10% (объемн.) стабилизированной Р-фазы. Кроме того, композиция сплава имеет существенное технологическое преимущество, так как предоставляется возможность ис-
пользовать широкую номенклатуру шихтовых материалов, включая недефицитные ферротитан и феррованадий.
Из экспериментальных слитков опытных сплавов с помощью термомеханической обработки (методом осадки) при температурах однофазной Р-области получены деформированные полуфабрикаты с суммарной степенью деформации до ~ 80%. Механические характеристики таких полуфабрикатов представлены в табл. 3.
Таблица 3
Механические свойства опытных экономнолегированных сплавов (деформированные полуфабрикаты)
Состав сплава, %(по массе) Предел прочности, МПа Ударная вязкость KCU, кДж/м2
Ti - 1Fe - 1Zr- O - N (+Gd) Ti - (4-5) Al - V - Fe (+Gd) 760 970 1055 616
Заключение и дальнейшие исследования
Разработаны два опытных экономнолегированных титановых сплава: псевдо-а-сплав системы Ti - 1Fe - 1Zr - O - N и (a+Р)-сплав системы Ti - (4-5)Al - V - Fe. Сплавы также содержат микродобавки РЗМ (Gd), что приводит к эффективному модифицированию структуры и увеличению механических свойств.
Дальнейшая работа в этой области будет направлена на разработку технологий термомеханической обработки сплавов для получения тонколистовых полуфабрикатов толщиной 0,4 - 0,8 мм, которые могут быть применены в слоистых титан-полимерных композиционных материалах. Кроме того, требуется разработка нового низкомодульного сплава на основе титана специально для изготовления деталей крепления для таких композитов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7-17.
2. Тарасов Ю.М., Антипов В.В. Новые материалы ВИАМ - для перспективной авиационной техники производства ОАО «ОАК» //Авиационные материалы и технологии. 2012. №2. С. 5 - 6.
3. Каблов Е.Н., Антипов В.В., Сенаторова О.Г. Слоистые алюмостеклопластики СИАЛ-1441 и сотрудничество с Airbus и TU DELFT //Цветные металлы. 2013. №9(849). С. 50-53.
4. Антипов В.В., Сенаторова О.Г., Лукина Н.Ф., Сидельников В.В., Шестов В.В. Слоистые металлополимерные композиционные материалы //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 226-230.
5. Лукина Н.Ф., Дементьева Л.А., Аниховская Л.И. Клеевые препреги для слоистых алюмостеклопластиков класса СИАЛ //Труды ВИАМ. 2014. №1. Ст. 05 (viam-works.ru).
6. Краснов Е.И., Штейнберг А.С., Шавнев А.А., Березовский В.В. Исследование слоистого металлического композиционного материала системы Ti - TiAl3 //Авиационные материалы и технологии. 2013. №3. С. 16 -19.
7. Boyer R.R., Williams J.C. Developments in research and applications in the titanium industry in the USA //Proc. of 12th World Conf. on Titanium. 2011. V. I. P. 10 -19.
8. Ильин А.А., Колачев Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства: Справочник. М.: ВИЛС-МАТИ. 2009. 520 с.
9. Хорев А.И., Белов С.П., Глазунов С.Г. Металловедение титана и его сплавов. М.: Металлургия. 1992. 352 с.
10. Niinomi M. Recent trends in titanium research and development in Japan //Proc. 12th World Conf. on Titanium. 2011. V. I. P. 30 - 37.
11. Каблов Е.Н., Оспенникова О.Г., Вершков А.В. Редкие металлы и редкоземельные элементы - материалы современных и будущих высоких технологий //Труды ВИАМ. 2013. №2. Ст. 01 (viam-works.ru).
12. Сплав на основе титана и изделие, выполненное из него: пат. 2222627 Рос. Федерация; опубл. 27.01.2004.
13. Titanium-aluminum-vanadium alloys and products made therefrom: pat. 5980655 US; publ. 09.11.1999.
14. Сплав на основе титана и способ термической обработки крупногабаритных полуфабрикатов из этого сплава: пат. 2169204 Рос. Федерация; опубл. 20.06.2001.
15. Сплав на основе титана: пат. 2169782 Рос. Федерация; опубл. 06.05.2006.
16. Titanium-based alloy: pat. EP 1882752; publ. 03.06.2009.
17. Titanium-based alloy: pat. US 6632396; publ. 14.10.2003.
18. High strength Ti alloy and its production method: pat. JP 2004010963; publ. 15.02.2004.
19. Yashiki T. Development of a high temperature oxidation-resistant titanium alloy for exhaust systems of motorcycles and automobiles //Proc. 11th World Conf. on Titanium. 2007. V. II. P. 1387 -1390.
20. Otsuka H. et al. Formability of newly developed high-performance titanium alloys for automotive exhaust systems //Proc. 11th World Conf. on Titanium. 2007. V. I. P. 251 -254.
21. Titanium alloy part and method of manufacturing same: pat. EP 2508643; publ. 10.10.2012.
22. Titanium alloy with improved properties: app. US 2012/0107132; publ. 03.05.2012.
23. Conrad H. Effect of interstitial solutes on the strength and ductility of titanium //Progress in Mat. Sci. 1981. V. 26(2 - 4). P. 123 -403.
24. Zhu J. et al. Influence of boron addition on microstructure and mechanical properties of dental cast titanium alloys //Mat. Sci. & Eng.: A. 2003. V. 339(1 -2). P. 53 - 62.
25. Ando T. et al. Precipitation of fine beta-phase in high nitrogen titanium alloy //Proc. 11th World Conf. on Titanium. 2007. V. I. P. 447 -450.
26. Koike M. et al. Evaluation of cast Ti - Fe - O -N alloys for dental applications //Mat. Sci. & Eng.: C. 2005. V. 25(3). P. 349 - 356.
REFERENCES LIST
1. Kablov E.N. Strategicheskie napravlenija razvitija materialov i tehnologij ih pererabotki na period do 2030 goda [Strategic directions of development of materials and technologies to process them for the period up to 2030] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 7-17.
2. Tarasov Ju.M., Antipov V.V. Novye materialy VIAM - dlja perspektivnoj aviacionnoj tehniki proizvodstva OAO «OAK» [New materials VIAM - for promising aviation equipment produced by JSC «UAC»] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №2. S. 5-6.
3. Kablov E.N., Antipov V.V., Senatorova O.G. Sloistye aljumostekloplastiki SIAL-1441 i sotrudnichestvo s Airbus i TU DELFT [Layered aluminum-fiberglass Sial-1441 and cooperation with Airbus and TU DELFT] //Cvetnye metally. 2013. №9(849). S. 50-53.
4. Antipov V.V., Senatorova O.G., Lukina N.F. i dr. Sloistye metallopolimernye kompozi-cionnye materialy [Layered metal-composite materials] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 226-230.
5. Lukina N.F., Dement'eva L.A., Anihovskaja L.I. Kleevye prepregi dlja sloistyh alju-mostekloplastikov klassa SIAL [Adhesive prepregs layered aluminum-fiberglass class SIAL] //Trudy VIAM. 2014. №1. St. 05 (viam-works.ru).
6. Krasnov E.I., Shtejnberg A.S., Shavnev A.A., Berezovskij V.V. Issledovanie sloistogo metal-licheskogo kompozicionnogo materiala sistemy Ti-TiAl3 [Study layered metal composite material of Ti-TiAl3] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2013. №3. S. 1619.
7. Boyer R.R., Williams J.C. Developments in research and applications in the titanium industry in the USA //Proc. of 12th World Conf. on Titanium. 2011. V. I. P. 10-19.
8. Il'in A.A., Kolachev B.A., Pol'kin I.S. Titanovye splavy. Sostav, struktura, svojstva [Titanium alloys. The composition, structure and properties]: Spravochnik. M.: VILS-MATI. 2009. 520 s.
9. Horev A.I., Belov S.P., Glazunov S.G. Metallovedenie titana i ego splavov [Physical metallurgy of titanium and its alloys]. M.: Metallurgija. 1992. 352 s.
10. Niinomi M. Recent trends in titanium research and development in Japan //Proc. 12th World Conf. on Titanium. 2011. V. I. P. 30-37.
11. Kablov E.N., Ospennikova O.G., Vershkov A.V. Redkie metally i redkozemel'nye jel-ementy - materialy sovremennyh i budushhih vysokih tehnologij [Rare metals and rare-earth elements - materials for current and future high-tech] //Trudy VIAM. 2013. №2. St. 01 (viam-works.ru).
12. Splav na osnove titana i izdelie, vypolnennoe iz nego [Titanium-base alloy and article made therefrom]: pat. 2222627 Ros. Federacija; opubl. 27.01.2004.
13. Titanium-aluminum-vanadium alloys and products made therefrom: pat. 5980655 US; publ. 09.11.1999.
14. Splav na osnove titana i sposob termicheskoj obrabotki krupnogabaritnyh polufabri-katov iz jetogo splava [Titanium-base alloy and method for thermal processing of large-polufab-finished products of the alloy]: pat. 2169204 Ros. Federacija; opubl. 20.06.2001.
15. Splav na osnove titana [Titanium-base alloy]: pat. 2169782 Ros. Federacija; opubl. 06.05.2006.
16. Titanium-based alloy: pat. EP 1882752; publ. 03.06.2009.
17. Titanium-based alloy: pat. US 6632396; publ. 14.10.2003.
18. High strength Ti alloy and its production method: pat. JP 2004010963; publ. 15.02.2004.
19. Yashiki T. Development of a high temperature oxidation-resistant titanium alloy for exhaust systems of motorcycles and automobiles //Proc. 11th World Conf. on Titanium. 2007. V. II. P. 1387-1390.
20. Otsuka H. et al. Formability of newly developed high-performance titanium alloys for automotive exhaust systems //Proc. 11th World Conf. on Titanium. 2007. V. I. P. 251254.
21. Titanium alloy part and method of manufacturing same: pat. EP 2508643; publ. 10.10.2012.
22. Titanium alloy with improved properties: app. US 2012/0107132; publ. 03.05.2012.
23. Conrad H. Effect of interstitial solutes on the strength and ductility of titanium //Progress in Mat. Sci. 1981. V. 26(2-4). P. 123-403.
24. Zhu J. et al. Influence of boron addition on microstructure and mechanical properties of dental cast titanium alloys //Mat. Sci. & Eng.: A. 2003. V. 339(1-2). P. 53-62.
25. Ando T. et al. Precipitation of fine beta-phase in high nitrogen titanium alloy //Proc. 11th World Conf. on Titanium. 2007. V. I. P. 447-450.
26. Koike M. et al. Evaluation of cast Ti-Fe-O-N alloys for dental applications //Mat. Sci. & Eng.: C. 2005. V. 25(3). P. 349-356.
