CC BY
191
ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИЯ
H.A. Ночовная
ПЕРСПЕКТИВЫ И ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
Широкое применение титановых сплавов в конструкциях авиа- и ракетостроения началось в середине 60-х гг. прошлого столетия. Это было вызвано, как неоднократно указывалось, их высокой удельной прочностью в достаточно широком диапазоне температур (детали из титановых сплавов применяются в температурном диапазоне от -253 до +600°С) и уникальной коррозионной стойкостью в самых различных средах. Первые промышленные конструкционные титановые сплавы (ВТ5, ВТ5-1, ОТ4, ВТ6) имели уровень прочности 700-950 МПа. В современном авиастроении применяются сплавы, уровень прочности которых может достигать 1300 МПа (рис. 1). Это сплавы нового поколения ВТ23М, ВТ32, ВТ43, ВТ22М, ВТ22И. Такой уровень прочности достигается не только путем создания новых композиций, но и разработкой новых технологических процессов деформации и термообработки. При этом все разнообразие условий применения обеспечивается широким ассортиментом сплавов, имеющих соответствующий комплекс свойств.
700-1050 МПа 1100-1300 МПа
Рис. 1. Динамика роста прочности конструкционных титановых сплавов для авиации и космоса
ВТ3-1 ВТ8 ВТ9 ВТ8МВТ8-1,
ВТ8М-1
Рис. 2. Ресурс работы жаропрочных титановых сплавов при 450°С
Наряду с конструкционными сплавами на основе титана большие прогрессивные изменения претерпели и жаропрочные титановые сплавы. Ресурс их работы в современном двигателе достигает 30000 ч при температуре эксплуатации 450°С (рис. 2).
Уровень эксплуатационных свойств как конструкционных, так и жаропрочных титановых сплавов, применение которых планируется в самолетах и двигателях нового поколения, не ограничивается только повышением предела прочности. Прежде всего, должен быть обеспечен уровень характеристик, повышающих как ресурс, так и безопасность полета, - вязкость разрушения, предел выносливости и т. д. Так, скорость роста усталостной трещины для деталей из высокопрочных конструкционных титановых сплавов должна составлять не менее 1 мм/кцикл, а вязкость разрушения К1с>70 МПа-м12. Сплавы, применяемые в двигателях (компрессор низкого и высокого давления), должны иметь уровень малоцикловой усталости (отах) до 950 МПа (при К=5-104 цикл, Я=0,1) при кратковременной прочности более 1050 МПа. Значительные изменения в сфере требований к конструкционным материалам на базе титана обусловлены следующими современными тенденциями.
- В связи со значительным увеличением доли титановых сплавов в планере создаваемых современных самолетов возникает потребность в разработке сплавов, отличающихся высоким уровнем прочности и жесткости в сочетании с высокой пластичностью на стадии изготовления тонколистовых заготовок. Эти требования могут быть обеспечены сплавами на основе Р-фазы (Р- или псевдо-Р-сплавы.). В закаленном состоянии эти сплавы чрезвычайно пластичны и легко поддаются значительной деформации. В то же время последующее низкотемпературное старение (450-550°С) приводит к повышению уровня их прочностных свойств до ов=1400-1500 МПа. Примером таких сплавов может служить зарубежный сплав SP700 и сплав ВТ32, созданный в ВИАМ и прошедший стадию промышленного освоения, применение которого планируется для широко-хордной лопатки вентилятора (рис. 3).
а) б)
Типичные свойства Свойства при холодной листовой штамповке
ов ^0,2 5, % _350° а100 , МПа св, МПа 5, % Вытяжка Квыт Отбортов-ка Кохб Гибка гт1П
МПа
1200-1300 1160-1230 5-9 960 800-900 16-20 1,75-1,9 1,6-1,75 (2,3--2,6)8*
* 8 - толщина листа.
Рис. 3. Модельная полая широкохордная лопатка вентилятора из сплава ВТ32 с несущими стержнями из МКМ (а) и уровень свойств (б) высокопрочного и высокотехнологичного сплава ВТ32 (в сравнении со свойствами сплава ВТ6) в упрочненном ( □) и отожженном состоянии ( □)
Сплав обладает высокой пластичностью в отожженном состоянии, что позволяет изготовлять тонкие оболочки широкохордных лопаток методом листовой штамповки. Последующий процесс высокотемпературной пайки оболочек из этого сплава, осуществляемый в аргоно-ваккумных печах, может быть совмещен с процессом термического упрочнения.
Применение сплава для изготовления тонкой оболочки широкохордной лопатки вентилятора, длительно работающей при температурах до 350-400°С, обеспечивает
увеличение прочности на 20-25% (о^0 >1200 МПа, 0400 >950 МПа) и трещиностойко-сти на 20% ( КС >110 ГПа) по сравнению с использованием сплавов ВТ20, ВТ6 и ВТ23,
а также снижение массы на 15% и трудоемкости на 25%. Сплав ВТ32 опробован в условиях ВСМПО при изготовлении листовых полуфабрикатов.
- Появление двигателей V и VI поколений, у которых температурно-силовые параметры существенно превосходят существующие ныне, обусловливает создание новых жаропрочных материалов на основе титана с более широким температурным интервалом применения и повышенными ресурсными характеристиками. Известно, что созданные на сегодняшний день жаропрочные титановые сплавы могут успешно работать лишь до температур 550-600°С. Ограничение в рабочих температурах вызвано тем, что при температурах 600-630°С меняется механизм окисления титана. В компрессорах современных авиадвигателей зарубежных фирм для работы в горячей части применяются титановые сплавы 1162428, 1М1829, 1М1834, планируется применение сплава ТШ00. Ресурс работы этих сплавов при названных температурах достигает 500 ч. Вместе с тем его увеличение лимитируется также проблемами термической стабильности. В ВИАМ создан жаропрочный титановый сплав ВТ41, термическая стабильность которого позволяет ему длительно работать при температуре 600°С (рис. 4).
а)
б)
1000
■'100
°0,2/100 , °шах °тах
гладкие образцы
_20° _55(Г
О о
тах тах
образцы с надрезом
Свойства Квоты превосходства, %, сплава ВТ41 перед сплавом ВТ18У
с60° (МПа) 28,5
а60о° (МПа) 15,5
<2Я00 (МПа) 30
МЦУ: сшах (МПа) (при №1-104; Я=0; 1=1 Гц) при
температурах, °С:
20
гладкие образцы 10,7
образцы с надрезом (гн=0,25 мм; 0(^=3,35) 30
550
гладкие образцы 15
образцы с надрезом (гн=0,25 мм; 0^=3,35) 21
Рис. 4. Сплав ВТ41:
а - штамповка диска КВД из сплава ВТ41 и структура (*1000) полотна; б - уровень свойств сплавов ВТ41 (□) и ВТ 18У ( )
Проблему дальнейшего расширения температурного интервала применения титановых сплавов можно решить лишь с помощью создания технологичных сплавов на базе алюминидов титана и технологий их обработки (рис. 5).
Рис. 5. Механические свойства (□ - с20 ;
□ - с" 0 ) сплава ВТИ-4 (<1=5100 кг/м3) и перспективного КМ на его основе (<«4300 кг/м3)
2500 2000
и 1500
к
к
I 1000
&!
Д 500
ВТИ-4
Перспективный КМ
Еще одним важным аспектом в развитии титанового металловедения является создание композиционных материалов на основе титана. В последние несколько лет роль композиционных материалов в конструкции летательных аппаратов резко возросла, так как именно они могут резко повысить весовую отдачу планера. Такие материалы обладают низкой плотностью, высокими жесткостью и удельной прочностью. Они могут применяться в качестве шумопоглощающих панелей, так как повышают акустическую выносливость более чем в 3 раза по сравнению с металлическими материалами, а также
в качестве силовых элементов планера вследствие повышенной вибропрочности,
1/2
виброжесткости и высокой трещиностойкости (СРТУ: ё21/ёК при ДК=28,5 МПа-м составляет 0,05-0,1 мм/кцикл).
Все вышеперечисленные требования могут быть обеспечены не столько созданием новых химических композиций сплавов, сколько разработкой новых технологических процессов, таких как экструзия, изотермическая штамповка, фасонное литье и т. д. Так, применение изотермической штамповки при производстве крупногабаритных штамповок позволяет повысить коэффициент использования металла при формообразовании на 20-30% и получить точную заготовку с однородной микроструктурой по всему объему заготовки. Использование фасонного литья снижает себестоимость производства деталей в ~2-2,5 раза.
Следует заметить, что само по себе производство титановой губки и полуфабрикатов из титановых сплавов является признаком высокой технологии. Только четыре страны в мире производили подобную продукцию. К ним относятся: США, Англия, Япония и Россия. Сейчас в данном направлении интенсивно прогрессирует Китай. Однако, помимо проблем, связанных с созданием нового поколения титановых сплавов, материалов на их основе и разработкой прогрессивных технологических процессов производства деталей и полуфабрикатов, существуют и проблемы, обусловленные меняющейся политической и экономической ситуацией. В первую очередь это резкое снижение потребления титановых сплавов отечественными производителями: в 1990 г. потребление титана в СССР составляло более 110 тыс. тонн, а в 2006 г. 4,5 тыс. тонн (данные «ВСМПО-АВИСМА»). Второй большой проблемой является резкий скачок цен на титановую губку и, следовательно, на титановые полуфабрикаты и изделия. Монопольное положение корпорации «ВСМПО-АВИСМА» делает рост цен на губку и титановую продукцию в целом практически неконтролируемым. Так, только за период январь - ноябрь 2006 г. цена на губку выросла более чем в 2 раза. И, наконец, основной проблемой является отсутствие в России собственной сырьевой базы для производства титановой губки. Все сырье для производства титановой губки ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» закупает на Украине.
В силу сказанного становится очевидным, что в ближайшем будущем Россия может остаться без сырья для производства титана, что резко отрицательно скажется на
качестве и конкурентоспособности авиакосмической продукции и, в конечном счете, на оборонном потенциале страны.
Основу минерально-сырьевой базы титана РФ составляют 20 месторождений (из них 11 коренных и 9 россыпных), сравнительно равномерно размещенных по территории страны. Уникальным по своему происхождению, запасам и содержанию диоксида титана в рудах, а также по наличию в нем нефти является Ярегское месторождение лейкоксеновых нефтеносных песчаников, расположенное в Республике Коми. К ильме-нитоносным россыпям относятся Тулунское (Иркутская обл.) и Николаевское (Кемеровская обл.) месторождения, россыпи комплексного состава представлены Центральным (Тамбовская обл.), Лукояновским (Нижегородская обл.), Тарским (Омская обл.), Туганским и Георгиевским (Томская обл.) месторождениями. Проведенный анализ современного состояния минерально-сырьевой базы титана позволяет отнести к активным лишь 31,2% запасов, из которых 29,2% - запасы собственно титановых месторождений и 2% - запасы месторождений, из руд которых титан извлекается попутно. Выделяемые в качестве активных и перспективно оцененных запасы позволяют нашей стране решить вопрос обеспечения внутренних потребностей и возможности выхода ее на сформировавшийся международный рынок титанового сырья.
Решение вышеуказанных проблем, в частности снижения цен на титановую продукцию, по мнению специалистов, может быть осуществлено путем проведения ряда мероприятий, таких как:
- организация альтернативного производства титановых полуфабрикатов на базе Ступинской титановой компании (СТК), Ступинского металлургического комбината (СМК), Всероссийского института легких сплавов (ВИЛС), ОАО МЗ «Электросталь» и др.;
- поставка титановых полуфабрикатов оборонным заводам страны по внутренним ценам;
- создание новых прогрессивных технологических процессов, радикально снижающих энергетические затраты и повышающих коэффициент использования металла, -таких как экструзия, изотермическая деформация, энергосберегающие процессы термической обработки, фасонное литье.
А.Н. Петухов*
АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ КОНСТРУКЦИОННОЙ ПРОЧНОСТИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ И ДЕТАЛЕЙ ИЗ НИХ
Внедрение новых конструктивных решений, перспективных материалов и технологических процессов требует глубоких всесторонних исследований напряженно-деформированного состояния (НДС), механических свойств материалов и прочности натурных деталей в условиях, приближенных к эксплуатационным по воздействию статических, циклических и вибрационных нагрузок и эксплуатационных температур.
Конструктивные особенности деталей ГТД (лопатки, диски, валы и др.), эксплуатационные условия, формирующие их НДС, и несущая способность тесно связаны с технологией изготовления и оказывают решающее влияние на сопротивление МЦУ и МнЦУ.
В ЦИАМ выполнен ряд комплексных прочностных исследований на МЦУ, МнЦУ с целью выявления роли технологических, конструктивных и эксплуатационных факторов.
* ФГУП «ЦИАМ им. Баранова».
