CC BY
19
t113.fm Page 62 Thursday, May 23, 2013 4:07 PM
-Ф-
ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ. ПОКРЫТИЯ
Научный редактор раздела докт. техн. наук, профессор В.С. Синявский
УДК 620.193
КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ И КОНСТРУКЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ ЛОПАСТЕЙ ВИНТОВ САМОЛЕТОВ
В.С. Синявский, докт. техн. наук, Г.Д. Лебедев
(ОАО ВИЛС, e-mail: info@oaovils.ru)
Исследованы коррозионные и механические характеристики авиационных лопастей из сплавов Д1чТ, В91пчТ2, ВД17Т1. Показано, что лучшим сочетанием этих характеристик обладает сплав ВД17Т1.
Ключевые слова: коррозионное растрескивание, расслаивающая коррозия, усталость, коррозионная усталость, скорость развития трещин усталости.
Corrosion Resistance and Structural Characteristics of Aluminium Alloys Used for Aeroplane Propeller Blade Production. V.S. Sinyavskiy, G.D. Lebedev.
Corrosion and mechanical properties of D1 chT, V91pchT2 and VD17T1 alloy aviation propeller blades have been investigated. VD17T1 alloy offers the best combination of these characteristics.
-(ii)- Key words: corrosion cracking, exfoliation corrosion, fatigue, corrosion fatigue,
fatigue crack growth rate.
На протяжении многих лет лопасти воздушных винтов самолетов изготавливают из сплава Д1Т. В целом они хорошо зарекомендовали себя в эксплуатации, но в последнее время применение самолетов в любых климатических условиях привело к необходимости повышения коррозионной стойкости. В первую очередь необходимо повысить сопротивление расслаивающей коррозии (РСК). Известно [1], что практически единственным радикальным методом повышения коррозионной стойкости и особенно сопротивления РСК сплавов типа Д1Т является их замена другим, более коррозионно-стойким. В этом плане одним из подходящих является сплав В91 [2, 3].
Из группы сплавов типа дуралюминий наиболее подходящим представлялся сплав ВД17Т1. Увеличение содержания магния по сравнению со сплавами Д16ч и Д1ч обеспечивает повышенную термостойкость. Данные
по влиянию этого фактора на усталостную выносливость практически отсутствуют.
Соответственно для исследования были выбраны сплавы Д1чТ, В91пчТ2 и ВД17Т1. Их химический состав приведен в табл. 1. Сумма цинка и магния в сплаве В91 равна в среднем 6 %, что при добавке меди порядка 0,9 % позволяет получить высокие характеристики коррозии под напряжением (КПН): т.е. коррозионное растрескивание (КР) и РСК.
Заготовки лопастей из сплава Д1чТ были отобраны из серийной партии. Заготовки лопастей из сплавов В91пч и ВД17 были изготовлены по технологии, обеспечивающей оптимальное сочетание механических свойств с другими конструкционными характеристиками. Термическую обработку проводили в соответствии с инструкцией ВИАМ-ВИЛС-НИАТ ПИ 1.2. 255-83. Старение сплава В91пч проводили на состояние Т2 по режиму: 100 °С, 4 ч + 175 °С, 10 ч. Сплав ВД17 старили на со-
-Ф-
-Ф-
Ра§е 63 ТИиг8ёау, Мау 23, 2013 4:07 РМ
-Ф-
-Ф-
ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ. ПОКРЫТИЯ
Таблица 1
Химический состав (% мас.) исследованных полуфабрикатов
Сплав Mg Mn Fe Si Zr Zn
Д1чТ 4,25 0,65 0,62 0,32 0,37 0,04 _ 0,05
В91пчТ2 0,87 1,40 0,20 0,13 0,04 0,03 0,09 4,65
ВД17Т1 2,9 2,1 0,61 0,27 0,26 0,04 - -
стояние Т1 по режиму, обеспечивающему удовлетворительную коррозионную стойкость, 200 °С, 10 ч.
Механические свойства приведены в табл. 2.
Механические свойства исследованных полуфабрикатов близки. Однако предел прочности сплава В91Т2 ниже, чем сплава Д1чТ на 15,6 МПа, а сплава ВД17Т1 - на 31,4 МПа. Напротив, предел текучести этих сплавов несколько выше, равным образом, как и относительное удлинение.
Сопротивление КР определяли при постоянной растягивающей нагрузке на установке «Сигнал 3М» по ГОСТ 9.091-74 в высотном направлении. Уровень напряжений, при которых испытывали образцы, варьировался от 50 до 300 МПа. База испытаний 45 суток.
Сопротивление РСК проверяли по ГОСТ 9.904-82. Образцы испытывали в растворе, содержащем 20 г/дм3 К2Сг207 и 13,5 г/дм3 НС1 (раствор 4), в течение 7 суток и в растворе, содержащем 10 г/дм3 К2Сг207 + 225 г/дм3 №С1 + 50 г/дм3 ^03 + 5,5 г/дм3 HNO3, в течение 2 суток (раствор 2).
Сопротивление межкристаллитной коррозии (МКК) определяли по ГОСТ 9.024-74. Критерием служили глубина, интенсивность и характер коррозионных поражений, уста-
Таблица 2
Механические свойства
и электропроводимость исследованных полуфабрикатов
Сплав, состояние ав, МПа а0 2, МПа 8, % у, мСм/м
В91пчТ2 440,5 391,4 13,3 24
ВД17Т1 424,8 374,7 12,9 22
Д1чТ 456,2 372,8 12,1 18,5
новленные по микрошлифам после 24 ч испытаний в растворе 3 % №С! + 10 мл/л НС1 и после 6 ч испытаний при 30 °С в растворе 58 г/л №С! + 10 мл/л Н2О2. Характер коррозии определяли в соответствии с разработанным в ВИЛСе международным стандартом ИСО 15329, т.е. с разделением на четыре группы: А, В, С, D [3].
Сопротивление усталости определяли на воздухе и в растворе 3 % N8^. Гладкие и надрезанные образцы испытывали при чистом изгибе с вращением на базе 2 • 107 циклов согласно ГОСТ 25.502-79. По результатам испытаний строили кривые выносливости с вероятностью разрушения 50 %.
Скорость роста усталостной трещины (СРТУ) определяли на образцах с острым шевронным надрезом, характерной особенностью которого является независимость коэффициента интенсивности напряжений (КИН) в вершине трещины образца от ее длины, т.е. реализуется возможность испытания на СРТУ при постоянном размахе КИН на всем протяжении роста трещины, что в значительной степени повышает точность определения СРТУ.
Испытания показали (табл. 3), что лопасти из сплава Д1чТ подвержены расслаивающей коррозии в обоих растворах (7-8 балл) и соответственно имеют низкое сопротивление КР. Остальные сплавы оказались не чувствительны к РСК и стойки к КР.
Результаты усталостных испытаний образцов из исследованных сплавов на базе 107 циклов представлены в виде кривых выносливости на рис. 1 и в табл. 4.
Из этого следует, что предел выносливости гладких образцов, испытанных на воздухе, сплавов В91пчТ2 и ВД17Т1 (180 МПа) несколько повыше, чем сплава Д1чТ (160 МПа). Для образцов с концентратором (ас = 2,33), испытанных на воздухе, наибольшие значения
ШЗ.^ Ра§е 64 ТЬш^ау, Мау 23, 2013 4:07 РМ
-Ф-
-Ф-
ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ. ПОКРЫТИЯ
Таблица 3
Коррозионные свойства исследованных сплавов
Сплав РСК, балл МКК КР
Раствор 2 Раствор 4 Раствор 1 Раствор 2 Оценка акр МПа
глубина, мм характер глубина, мм характер
В91пчТ2 2 2 0,15 А 0,10 А Отсутствие МКК > 300
ВД17Т1 3 4 0,30 В 0,20 В Слабая степень МКК 250
Д1чТ 7 8 0,8-1,0 Р 0,40 С МКК < 50
предела выносливости получены для сплава ВД17Т1 (60 МПа). На втором месте сплав В91пчТ2 (40 МПа), на третьем - Д1чТ (30 МПа). Так же расположились сплавы и по пределу коррозионной усталости в растворе 3 % N8^ (30, 20, < 20).
Предел коррозионной усталости сплава Д1чТ точно установить не удалось из-за ограниченной чувствительности испытательных машин.
Результаты определения СРТУ представлены в табл.5.
&
й х
й с
а §
X
а §
X
240 220 180 140 100 60 20
240 220 180 140 100 60 20
240 220 180 140 100 60 20
•
*
■йя
С4 ■
г
с с *
104
105
106
Число циклов в
107
Рис. 1. Кривые выносливости на воздухе сплавов В91пчТ2 (а), ВД17Т1 (б), Д1чТ (в):
О - образцы с надрезом; • - гладкие образцы
Таблица 4
Пределы выносливости исследованных сплавов на воздухе и в 3 %-м растворе NaCl
Предел выносливости
на базе 107 циклов, МПа
Сплав на воздухе в 3 %-м растворе №С\
гладкие образцы образцы с надрезом гладкие образцы образцы с надрезом
В91пчТ2 180 40 30 20
ВД17Т1 180 60 40 30
Д1чТ 160 30 20 <20
Таблица 5
Значения скорости роста усталостной трещины
Сплав СРТУ при АК = 20 МПаД/м СРТУ при АК = 30 МПаД/м
мм/цикл мм/цикл
Д1чТ со со со 1 1 1 000 СО со со ,3 ,2 ,1 3,140 3,128 3,065 1,48*10-2 1,28*10-2 2,170 2,180
В91пчТ2 1,63-10-3 1,16-10-3 1,62*10-3 1,41*10-3 1,01-10-3 1,29*10-3 3,214 3,064 3,210 3,150 3,006 3,112 3,87*10-3 3,78*10-3 4,90*10-3 4,84*10-3 4,92*10-3 3,60-10-3 3,588 3,577 3,690 3,684 3,604 3,560
ВД17Т1 5,20*10-4 9,40*10-4 2,86*10-4 4,716 4,97 4,40 1,23*10-2 1.11-10-2 1,95*10-4 2,09 2,04 4,29
а
Ш3.1ш Page 65 ТЪип^у, May 23, 2013 4:07 PM
"Ф
-Ф-
ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ. ПОКРЫТИЯ
Рис. 2. Фрактограммы поверхности изломов образцов сплава В91пчТ2 методом электронной растровой микроскопии после испытаний на усталость на воздухе (а) при напряжении 200МПа и в 3 %-м растворе ЫаС1 (б) при напряжении 150 МПа. х2000
При размахе интенсивности напряжений А К = 20 МПа/л/м значения СРТУ у сплавов В91пчТ2 и Д1чТ примерно одинаковы. У сплава ВД17Т1 СРТУ ниже. Разброс значений у всех сплавов не превышает 2 раз. При размахе А К = 30 МПа/л/м по мере увеличения значения СРТУ исследуемые сплавы можно расположить в ряд В91пчТ2, ВД17Т1, Д1чТ.
Методом электронной микроскопии были изучены изломы, полученные на гладких образцах сплава В91пчТ2. При напряжениях, близких к пределу выносливости (200 МПа) на воздухе, видно интенсивное скольжение (рис. 2, а). В коррозионной среде также при высоких напряжениях (150 МПа) скольжение переходит в хрупкое разрушение (рис. 2, б).
Такое резкое снижение сопротивления усталости под влиянием раствора 3 % N8^ в авиации возможно в гидросамолетах или истребителях палубного базирования. Однако и в этих случаях в отличие от коррозии под напряжением (КПН) возможна защита, например, обычными лакокрасочными покрытиями [1]. В других типах самолетов воздействует среда, содержащая существенно меньше хлоридов. Соответственно и эффект влияния внешней среды будет значительно меньше.
Эксперименты показали, что оба сплава В91пчТ2 и ВД17Т1 имеют более высокие значения коррозионной стойкости и конструкционных характеристик при практически равных механических свойствах. Однако у сплава
ВД17Т1 более низкая скорость роста усталостных трещин, кроме того, он более пригоден для дальнейшего усовершенствования. Это объясняется тем, что в сплавах такого типа сопротивление КПН связано с образованием частично когерентных выделений [4]. Поэтому возможность дальнейшего увеличения конструкционных характеристик в сочетании с коррозионной устойчивостью у них значительно выше. В сплавах системы А!-2п-Мд-Си, к которой принадлежит сплав В91пчТ2, улучшение сопротивления КПН достигается при образовании полностью когерентных выделений. Поэтому при попытках разработки новых способов улучшения их характеристик будет происходить снижение механической прочности.
Выводы
1. Лопасти винтов из сплава Д1чТ имеют низкое сопротивление коррозии под напряжением в форме расслаивающей коррозии и коррозионного растрескивания в высотном направлении и столь же низкую стойкость к межкристаллитной коррозии.
2. Применительно к лопастям винтов самолетов сплав ВД17Т1 показал высокое сопротивление коррозии под напряжением и меж-кристаллитной коррозии при близких значениях механических свойств со сплавом Д1 чТ. По сопротивлению усталости и скорости рос-
-Ф
-Ф-
t113.fm Page 66 Thursday, May 23, 2013 4:07 PM
ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ. ПОКРЫТИЯ
та усталостных трещин сплав ВД17Т1 превосходит сплав Д1чТ.
3. Имеется возможность еще улучшить коррозионные и конструкционные характеристики сплава ВД17Т1 за счет повышения чистоты
по примесям, корректировки режимов старения и химического состава.
4. Сплав В91пчТ2 превосходит сплав ВД17Т1 по коррозионной стойкости, равен ему по прочности, но уступает по скорости роста усталостных трещин.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Синявский В.С., Вальков В.Д., Калинин В.Д.
Коррозия и защита алюминиевых сплавов. - М.: Металлургия, 1986. - 363 с.
2. Бочвар О.С., Синявский В.С. и др. Влияние режимов ступенчатого старения на структуру и свойства профиля из сплава В91 // Технология легких сплавов. 1981. № 3. С. 17-21.
3. Синявский В.С. Влияние начальных стадий атмосферной коррозии на циклическую прочность
алюминиевых сплавов // Технология легких сплавов. 2012. № 1. С. 93-97.
4. Sinyavskiy V. Features of Dislocation Electrochemical Mechanism of stress corrosion of High Strenght Aluminium Alloys and Ways of Improvement in Resistance to this Type of Damage // The European Corrosion Congress, EUROCORR 2012, CD-ROM Dechema-EFC-NACE. 2012.
-Ф-
