Научная статья на тему 'Перспективы разработки новых титановых сплавов'

Перспективы разработки новых титановых сплавов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
803
211
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ / Р-ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ / ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ / МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА / ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Анташев В. Г., Ночовная Н. А., Ширяев А. А., Изотова А. Ю.

Освещены современные тенденции применения сплавов на основе титана, а также новые требования к их физико-механическим свойствам. Описаны преимущества современных титановых сплавов на основе в-фазы в качестве высокопрочных конструкционных материалов, указаны пути дальнейшего повышения их механических и технологических свойств. Представлены результаты исследований влияния химического состава (степень легирования, соотношение количества изоморфных и эвтектоидных в-стабилизаторов и др.) на уровень механических свойств экспериментальных сплавов на основе в-фазы. Сделаны выводы о перспективах разработки новых в-титановых сплавов на основе оптимального легирования, приведены области их применения.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Анташев В. Г., Ночовная Н. А., Ширяев А. А., Изотова А. Ю.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Перспективы разработки новых титановых сплавов»

УДК 669.295

В.Г. Анташев, Н.А. Ночовная, А.А. Ширяев, А.Ю. Изотова

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗРАБОТКИ НОВЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Освещены современные тенденции применения сплавов на основе титана, а также новые требования к их физико-механическим свойствам. Описаны преимущества современных титановых сплавов на основе ß-фазы в качестве высокопрочных конструкционных материалов, указаны пути дальнейшего повышения их механических и технологических свойств. Представлены результаты исследований влияния химического состава (степень легирования, соотношение количества изоморфных и эвтектоидных ß-стабилизаторов и др.) на уровень механических свойств экспериментальных сплавов на основе ß-фазы. Сделаны выводы о перспективах разработки новых ß-титановых сплавов на основе оптимального легирования, приведены области их применения.

E-mail: astrowolf@mail.ru

Ключевые слова: титановые сплавы, ß-титановые сплавы, области применения, механические свойства, технологичность.

Как известно, практически вся титановая индустрия создавалась для получения полуфабрикатов из высокоэффективных материалов применительно к требованиям авиакосмической техники, поскольку военная и коммерческая авиация потребляли более 75 % всей дорогостоящей титановой продукции. При этом вопросы стоимости исходных компонентов, их дефицитности, дороговизны технологии переработки материалов и ее энергоемкости оставались на втором плане. Существенную роль играли темпы создания необходимых для авиации сплавов, поэтому были использованы наиболее быстрые и простые решения.

Однако в последнее время происходят существенные перемены в стратегии создания и применения титановых материалов. Эти изменения вызваны четырьмя обстоятельствами. Во-первых, в начале XXI века произошло обрушение авиапромышленности, что привело к резкому снижению потребления титана. Во-вторых, возможности дальнейшего повышения эксплуатационных свойств титановой продукции применительно к авиакосмическим изделиям в значительной мере исчерпаны и в новых изделиях существенного роста потребления титана в традиционных областях его использования не наблюдается. В-третьих, применение стекло- и углепластиков для изготовления деталей планера из-за значительной коррозии алюминиевых сплавов в контакте с ними вызвало необходимость использования

титановых сплавов взамен алюминия. В-четвертых, бурное развитие экономики Юго-Восточной Азии и Китая, слабо связанной с авиационной индустрией, сопровождается существенным ростом потребления титановой продукции в судостроении, энергетике, химическом машиностроении, при опреснении морской воды и т.д. Различия в сферах применения титановых материалов отражают рис. 1 и 2, где показана структура потребления титана экономиками США и Китая.

При этом новые отрасли потребления и существенное увеличение ресурса гражданской авиатехники требуют новых материалов и руководствуются новыми критериями. На первое место помимо уровня свойств выходят требования по экономичности производства, снижению его энергоемкости, сокращению применения дефицитных материалов и т.п. Однако в связи с тем, что разработка титановых сплавов для решения новых задач - достаточно дорогостоящий и длительный процесс, создание специальных сплавов для гражданских отраслей производства и принципиально новых материалов для аэрокосмической отрасли существенно отстает от возникающих потребностей.

Очевидно, что именно по этим причинам в последнее десятилетие наблюдается значительное увеличение количества работ, имеющих целью получение титановых сплавов с новым комплексом свойств, в том числе и за счет широкого использования легирующих элементов эвтектоидной группы. Это относится к попыткам создания экономически эффективных Р-сплавов, эвтектоидных и заэвтектоидных сплавов со структурой естественных композитов, сплавов на базе интерметал-личесих соединений, сплавов типа металлических стекол и т.д.

Рис. 1. Распределение потребления титановых материалов по отраслям промышленности США в 2009 г.

Рис. 2. Распределение потребления титановых материалов по отраслям промышленности Китая в 2009 г.

Отметим, что, несмотря на большое количество сплавов, разработанных для использования в различных отраслях промышленности, их применение в гражданской авиации невозможно ввиду несоответствия предъявляемых к материалам требований по физико-механическим и другим свойствам. К таким сплавам можно отнести большинство сплавов медицинского назначения, наиболее важными характеристиками которых являются низкий модуль упругости, умеренно высокие прочностные и трибологические характеристики, высокая технологичность, биосовместимость, отсутствие токсичных легирующих элементов. Именно поэтому задача разработки специальных сплавов авиационного назначения остается актуальной.

В связи с тем, что происходит довольно быстрое увеличение доли титановых материалов в конструкции планера [1], в настоящее время существенно меняется как основная номенклатура титановых полуфабрикатов, так и преимущественный способ ее производства. Учитывая соотношение массы планера и массы двигателя, можно считать, что объемы потребления титановых полуфабрикатов будут возрастать очень быстрыми темпами. Об этом говорит тот факт, что в 1989 г., когда в конструкции двигателей использовалось около 30 % (по массе) титановых деталей, а в конструкции планера -только 4...5 %, потребление титана промышленностью США составляло 18 073 т в двигателях и 20 256 т в конструкциях планеров. Поскольку в настоящее время предполагается использовать в планере гражданского самолета 15.20 % титановых деталей, а в планере военных изделий - еще больше, то с большой долей вероятности следует считать, что это и определит практически весь прирост объемов потребления титановых полуфабрикатов в виде листовых штамповок и плит. При этом очевидно, что в случае применения традиционных титановых сплавов произойдет резкое увеличение стоимости изделий, а это поставит их на грань невозможности окупать затраты на производство, как это было в случае эксплуатации российского Ту-144 и франко-английского «Конкорда». Именно по этой причине ведется интенсивная разработка новых пластичных сплавов на основе Р-модификации титана, обладающих высокой способностью к деформации в холодном состоянии и позволяющих получать высокопрочные листы и плиты, используемые при изготовлении деталей обшивки и силового набора планера новейших летательных аппаратов [2]. Эти сплавы должны обеспечить:

• существенное снижение затрат на производство тонколистовой продукции за счет высокого уровня технологической пластичности в закаленном состоянии;

• возможность существенного повышения их прочностных свойств с помощью низкотемпературной термообработки, что, в

свою очередь, позволит получать требуемую геометрию деталей, имеющих сложные криволинейные поверхности.

В настоящее время создано большое количество в- и псевдо-в-сплавов. Наиболее известные сплавы и их некоторые механические свойства в закаленном и состаренном состоянии представлены в таблице.

Основные отечественные и зарубежные* в- и псевдо-в-титановые сплавы, применяемые в промышленности, и их свойства

Марка сплава (химический состав, % масс.) Kß Гп.п, оС Плотность, кг/м3 ов, МПа S, %

ВТ35 850 1350 18 8

(Ti-3 Al- 15V-3Sn-3 Cr-1,5Zr-1,5Мо) 1,58 760 4774

Ti15333* 1,57 760 4800 800 18

(Ti-3 Al- 15V-3Sn-3 Cr) 1300 10

Timet LSB* 1,58 799...815 4790 1068 24,5

(Ti-4,5Fe-6,8Mo-1,5Al) 1475 13,5

Beta 21S* 1,58 793...810 4940 880 18

(Ti- 15Mo-2,6Nb-3 Al-0,8Si) 1420 7

ВТ19 970 1420 18 5

(Ti-5,5Mo-3, 5 V-5,5Cr-3Al-Zr) 1,72 - 4780

8-8-2-3* 1,77 800 20

(Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al) 1450 5

ВТ32 1,80 780 4830 830 20

(Ti-8Mo-8V- 1,5Fe-1,5Cr-3Al) 1350 6

10-2-3* 1,30 812 4670 862 34

(Ti- 10V-2Fe-3Al) 1431 3

ВТ15 2,45 710 4890 850 12

(Ti-10,5Cr-7Mo-3Al) 1420 5

ТС6 2,76 720 4890 850 20

(Ti-11Cr-5Mo-6V-3Al-Zr) 1350 4

- >1,52 _ _

(Ti-2,5Fe-6,8Mo-2,5Al-2V) 1250.1520 7,3.16,4

5-5-5-3 1,40 _ _

(Ti-0,5Fe-5Mo-5Al-5V-3Cr) 1200 6

* Сплавы производства США.

Примечание. В числителе и знаменателе даны значения ов и 8 для закаленного и термоупрочненного состояния соответственно.

Из приведенных данных следует, что созданные в различных странах в- и псевдо-в-сплавы в закаленном состоянии имеют относи-

тельно низкую прочность и высокую пластичность, что существенно облегчает их деформацию, а в состаренном состоянии прочность сплавов повышается на 550.650 МПа при сохранении вполне приемлемой пластичности, необходимой для безопасной эксплуатации изделий. Наилучшим комплексом свойств обладают сплавы Ti 15333, Beta 21S (США) и ВТ35, ВТ32 (Россия).

Следует иметь в виду, что последние два сплава характеризуются

также высокой предельной вязкостью разрушения (К1С = 125 и 1/2

110 МПам соответственно), что делает их перспективными для изготовления деталей высокоресурсных изделий, а относительно низкая температура старения (450.550 °С) позволяет избежать существенных поводок готовых деталей, получаемых листовой штамповкой.

Особое место среди перечисленных выше занимает сплав Timet LSB [3]. Он сохраняет практически все преимущества псевдо-Р-сплавов, но является результатом первой попытки использования дешевых компонентов для легирования. В качестве основного легирующего комплекса в данном случае применяется ферромолибден, что существенно снижает стоимость сплава, поэтому по соотношению цена - качество он вполне может конкурировать с традиционными титановыми сплавами на основе а- и а+Р-фаз. Именно благодаря этому сплав находит применение в автомобильной промышленности. Вместе с тем прочность сплава в закаленном состоянии чрезмерно велика, что существенно осложняет его переработку в горячем состоянии и не позволяет использовать в полной мере процесс холодной листовой штамповки. Кроме того, в случае применения сплава для изделий, длительно работающих при повышенных температурах, необходимо убедиться в том, что его свойства стабильны во времени.

Сплав Timet LSB послужил примером для подражания. В частности, на ВСМПО был разработан сплав Ti-2,5Fe-2V-2,5Al-6,8Mo. Данный сплав обладает несколько лучшими пластическими характеристиками и, вероятно, более стабилен во времени, но применение при получении слитков специальных дорогостоящих лигатур, содержащих молибден и ванадий, по соотношению цена - качество ставит его в один ряд с другими псевдо-Р-сплавами.

Для выяснения возможности создания оптимально легированных псевдо-Р-сплавов авторами была предпринята попытка определить влияние соотношения концентраций изоморфных и эвтектоидных Р-стабилизаторов и их суммарного количества (в виде молибденового эквивалента) на уровень механических свойств сплавов. В качестве модельной была использована система Ti - Al - Mo - V - Fe - Cr.

Чтобы установить, насколько представительными являются выбранные сплавы для характеристики всей группы Р- и псевдо-Р-

сплавов, были построены диаграммы в координатах Мё-Бо. Здесь Во является параметром, показывающим степень перекрытия электронов между атомами и, следовательно, служит мерой ковалентной связи в кристаллической решетке, а Мё есть среднее значение между е- и ¿-уровнями энергии электронов на ^-орбите, которое определяет такие важные классические параметры, как электроотрицательность элемента и его металлический радиус [4]. На рис. 3, а представлена диаграмма для существующих Р-сплавов с обозначением их преимущественного источника пластичности, а на рис. 3, б - аналогичная диаграмма для выбранных при исследовании сплавов.

Сравнение двух диаграмм показывает, что выбранная система сплавов вполне информативна и представительна для анализа и сравнения Р- и псевдо-Р-сплавов между собой, а поскольку, несмотря на значительное различие в степени легирования того или иного сплава, его положение на диаграмме отличается незначительно, то и не приходится ожидать резкого изменения механических свойств в зависимости от состава. Вместе с тем механизм деформации может сильно различаться, что серьезно отразится на технологической пластичности.

Результаты исследований влияния химического состава на уровень механических свойств экспериментальных сплавов свидетельствуют о том, что при коэффициенте Р-стабилизации (Кр > 1,7) в исследованных пределах легирования соотношение концентраций изоморфных и эвтектоидных Р-стабилизаторов практически не влияет на способность закаленного сплава к деформации. Технологическая проба на осадку крешера всегда превышает 70 %. Вместе с тем это соотношение играет существенную роль при старении сплавов. Так, в случае низкотемпературного старения (500 °С) сплавы, преимущественно легированные Р-изоморфными компонентами, всегда имеют более высокие показатели пластичности и более низкие значения предела прочности, чем сплавы, легированные преимущественно Р-эвтектоидными компонентами. Очевидно, во втором случае свойства сплавов определяются наличием не только ю-фазы, но и выделений частиц интерметаллидов. Именно поэтому для повышения их пластических характеристик необходимо старение при более высокой температуре, сопровождающееся распадом ю-фазы и коагуляцией выделений интерметаллидов, но при этом заметно снижаются прочностные характеристики сплавов.

Несколько иначе ведут себя сплавы с Кр < 1,6. В этом случае важны не только соотношение молибденовых эквивалентов изоморфных и эвтектоидных легирующих элементов (Миз / Мэвт), но и конкретный химический элемент. Во-первых, высокая пластичность достигается только при соотношении Миз / Мэвт > 1:1. Во-вторых, осадка крешера

превышает 70 % либо в случае использования в качестве Р-изоморф-ного компонента одного молибдена (при Миз / Мэвт = 2,2), либо в случае использования в качестве Р-эвтектоидного компонента одного железа (при Миз / Мэвт = 2:1). Во всех остальных случаях сплав не может быть применен для холодной листовой штамповки.

Рис. 3. Диаграммы Md-Bo для ß- и псевдо-Р-сплавов

Таким образом, литературные данные и собственные исследования показывают, что созданные в настоящее время псевдо-Р-сплавы имеют благоприятный комплекс прочностных и пластических свойств, превосходящий как по абсолютным значениям, так и по удельным показателям свойства а- и а+Р-сплавов при комнатной температуре. Многие из них могут быть использованы для производства листовых штамповок без нагрева заготовок с последующим упрочнением готового продукта с помощью низкотемпературного старения. Следует иметь в виду, что рассматриваемые конструкционные сплавы превосходят а- и а+Р-сплавы по технологическим характеристикам, таким как штам-пуемость, коэффициент вытяжки и т.д.

В целом конструкционные Р- и псевдо-Р-сплавы по соотношению цена - качество оказываются привлекательными для листовой штамповки, получения слоистых композиционных материалов, а также высокопрочной титановой фольги, которую можно использовать при изготовлении сотовых панелей, причем объемы производства полуфабрикатов могут быть довольно большими.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Технология производства титановых самолетных конструкций / А.Г. Братухин, Б.А. Колачев, В.В. Садков и др. М.: Машиностроение, 1995.

2. Моисеев В. Н. Бета-титановые сплавы и перспективы их развития // МиТОМ. 1998. № 12. С. 11.

3. Allen P.G., Bania P.J., Hutt A.J., Combres Y. Timetal LCB: A low cost beta alloy for automotive and other industrial applications» / Ti-1995 Science and Technology // Proc. of the 8th World Conf. on Titanium. London: The Institute of Materials, 1996. Vol. 1. P. 1680.

4. Morinaga M., Yukawa N., Maya T., Sone K., Adachi H. Theoretical design of titanium alloys / Ti-1988 Science and Technology // Proc. of the 6th World Conf. on Titanium. Cannes: Les Editions de Physique, 1989. Vol. 2. P. 1601.

Статья поступила в редакцию 31.10.2011

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.