CC BY
578
ТЕХНОЛОГИЯ МАШИНОСТРОЕНИЯ
УДК 621.74
С. П. ПАВЛИНИЧ, М. В. ЗАЙЦЕВ
ПРИМЕНЕНИЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ПРИ ЛИТЬЕ УЗЛОВ И ЛОПАТОК ГТД С ОБЛЕГЧЕННЫМИ ВЫСОКОПРОЧНЫМИ КОНСТРУКЦИЯМИ ДЛЯ АВИАЦИОННЫХ
ДВИГАТЕЛЕЙ НОВЫХ ПОКОЛЕНИЙ
Статья посвящена исследованию влияния содержания молибдена и ниобия на механические свойства при 20 и 700 °С.
В статье рассмотрена возможность применения интерметаллидных титановых сплавов при литье узлов и лопаток ГТД. Ин-терметаллид титана; авиационный двигатель; механические свойства; структура сплава
Создание современного авиационного двигателя - сложнейший комплексный процесс, базирующийся на новейших достижениях в области аэро- и термодинамики, материаловедения, технологии, прочности, электроники, информатики. Вместе с тем это - дорогостоящее мероприятие, осуществляемое в жёсткой конкурентной борьбе на мировом рынке авиационной техники. Огромная наукоёмкость авиационного двигателестрое-ния подтверждается тем, что до начала XXI века полным циклом создания конкурентоспособных двигателей различного назначения обладали только США, Англия, Франция и Россия [3].
Важные задачи, решаемые при проектировании двигателей новых поколений - снижение стоимости производства и эксплуатации, в том числе путем упрощения конструкции и снижения количества деталей и узлов, требуют применения новых материалов и технологий их обработки [2].
В настоящее время повышение эффективности авиадвигателей и аналогичных силовых установок становится невозможным без использования принципиально новых конструкционных материалов. К таким материалам относятся сплавы на основе интерметаллидных фаз у-Т1Л1 и а2-Т13Л1. В связи с этим представляется интересным рассмотреть легкие сплавы на основе алюминидов титана у-Т1Л1+а2-Т13Л1, которые в настоящее время рассматриваются как потенциальные конструкционные материалы для использования в области температур Т = 600 - 900 °С. В сравнении с традиционными металлическими материалами интерметаллидные (у+а2)-сплавы обладают уникальным комплексом свойств. К ним относятся высокие удельные прочностные свойства и упругие модули, сохраняющиеся до высоких температур, высокие жаропрочность и сопротивление ползучести, высокое сопротивление окислению и горению. Из алюминидов титана могут изготавливаться детали газотурбинного двигателя
(лопатки, диски, элементы сопла), детали автомобильных двигателей (клапаны, шатуны, поршни, диски турбокомпрессора), теплозащитные наружные панели с ячеистым наполнителем (термоэкраны) для сверхзвуковых летательных аппаратов и др.
Широкому применению (у+а2)-сплавов препятствуют их низкие технологические свойства в литом состоянии, в особенности если речь идет об объемных слитках. К ним относятся хрупкость при комнатной температуре, низкая технологическая пластичность, обычно сохраняющаяся до температуры разупорядочения а2-фазы, высокий разброс механических свойств, низкая механическая обрабатываемость. Фундаментально это обусловлено направленным типом межатомной связи, что характерно для обеих интерметаллидных фаз. Между тем дополнительной причиной низких технологических свойств в случае слитков является грубозернистая, часто химически неоднородная структура с острой текстурой. Обычно применяемая для повышения технологических свойств литых (у+а2)-сплавов деформационная обработка - горячая экструзия или штамповка при температурах а/(а+у)-фазовой области, не устраняет химических и структурных неоднородностей, а высокие температуры такой обработки обуславливают ее высокую трудоемкость и стоимость. Поэтому получение качественного, т. е. химически однородного литого материала с мелкозернистой структурой и слабой текстурой является важной предпосылкой к внедрению интерметаллидных (у+а2)-сплавов. Во-первых, это может позволить изготавливать литые изделия с улучшенными технологическими свойствами. Во-вторых, благодаря повышению технологической пластичности существенно облегчается проведение термомеханической обработки.
Контактная информация: (347)273-77-55
С. П. Павлинич, М. В. Зайцев • ПРИМЕНЕНИЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ПРИ ЛИТЬЕ
201
Химический состав титановых сплавов системы Т1-Л1, легированных молибденом или ниобием
Фактический состав сплавов (%, по массе) в состоянии
Сплав литом гранулированном
А1 Мо № 02 N2 А1 Мо № 02 Н2 N2
Ті - 16% А1 15,8 - - 0,1 0,015 15,1 - - 0,0175 0,0008 0,043
Ті - 16%А1 - 5%Мо 16,4 4,7 - 0,053 0,015 15,6 4,8 - 0,1 - 0,065
Ті - 16%А1 - 10% Мо 14,2 10,5 - 0,093 0,015 14,2 9,2 - 0,01 0,0016 0,028
Ті - 16%А1 - 5%№ 16,5 - 4,76 0,074 0,015 14,8 - 5,2 0,06 0,0012 0,027
Ті - 16%А1 - 20%№ 16,5 - 18 0,055 0,015 15,9 - 19,4 0,07 0,001 0,042
Ті - 13,5%А1 - 21,5% № 13,9 - 19,5 0,050 0,015 12,9 - 20,5 0,056 0,002 0,043
Все больший интерес вызывает разработка сплавов на основе алюминида Т13А1 и технология получения из них полуфабрикатов и изделий практического применения в различных областях техники (в первую очередь аэрокосмической). Перспективность использования материалов на основе алюминидов титана расширяется в связи с развитием работ по созданию нового поколения гиперзвуковых воздушно-космических летательных аппаратов, причем рассматривается применение их как в элементах обшивки планера, так и в конструкциях реактивных двигателей. Фольгу из алюминида титана Т13А1 начинают использовать для изготовления активно-охлаждаемых сотовых панелей обшивки, многослойных полых легких валов в ракетной технике и т.д. Предполагается применить алюминид титана в монолитном виде для элементов корпуса компрессора, турбины, лопаток, камеры сгорания, диффузора и сопла двигателя [1].
Применение деталей из интерметаллидов титана в газотурбинном двигателе взамен применяемых материалов снизит общую массу двигателя и увеличит его тяговооруженность.
Достоинства сплавов на основе интерметал-лидов системы Т1-А1: плотность
р = 3,7...4,2 г/см3, высокое сопротивление окислению, ползучести, высокая прочность и модуль упругости, сохраняющиеся до 900 °С. Наряду с достоинствами у интерметаллида титана системы Т1-А1 есть ряд недостатков: природная хрупкость, низкие технологические свойства, крупнозернистость в слитках. Для повышения пластичности подобных сплавов необходимо ослабить ковалентную связь между Т1 и А1 путем легирования элементами с большим атомным радиусом или с возможно большим числом валентных электронов. К таким элементам относятся цирконий, гафний, ниобий, молибден, ванадий.
Для исследования влияния содержания молибдена и ниобия, имеющих довольно высокие пределы растворимости в Т13А1, на механи-
ческие свойства при 20 и 700 °С сплавов в литом и гранулированном состоянии были выплавлены сплавы (таблица) с использованием титановой губки ТГ-100А, лигатур А1-Мо (30% А1 - 70% Мо) и №>-Т1 (74% № - 26% Т1).
Механические свойства литого материала определяли на образцах, вырезанных из электродов, предназначенных для гранулирования, а свойства гранулированных сплавов - на прутках, полученных прессованием стальных вакуу-мированных капсул диаметром 90 мм с гранулами, при 1150-1180 °С. Термическая обработка сплавов состояла из высокотемпературного нагрева при 1050 или 1200 °С в течение 2 ч (охлаждение либо в воде - закалка, либо в печи до температуры старения, либо путем переноса в печь, нагретую до температуры не ниже температуры эксплуатации) и последующего старения [1].
Исследование литых сплавов показало, что они имеют крупнозернистую структуру с грубым внутризеренным строением. Легирование молибденом и ниобием не измельчает зерна, а внутризеренное строение при введении 5-10% Мо или 20% КЬ становится более тонким.
Нелегированный Т13А1 (Т1 - 16% А1) имеет низкую прочность при хрупком разрушении (ов = 120 МПа). Легирование сплава 5 % Мо повышает предел прочности до 770 МПа, а пластичность - до 1,5 %.
Сплавы, содержащие 5 и 10 % Мо, после закалки с 1050 °С и последующего старения при 850-900 °С имели предел прочности 540-560 МПа, 5 = 1,2 - 1,6 % и у =2- 4%. Максимальная прочность (ов = 880 МПа) при некоторой пластичности (5 = 1,6 %, у = 2 %) получена для сплава Т1 - 13,5% А1 - 21,5% № после той же термической обработки.
Однако для получения удовлетворительных физико-механических свойств требуется продолжение исследований по нахождению оптимального соотношения легирующих элементов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Скибин В. А., Солонин В. И., Сосунов
В. А. Авиационному двигателю 100 лет // ТВФ. 2004. №5
2. Мухин В. С. Основы технологии машиностроения (авиадвигателестроение). Уфа:
УГАТУ, 2007. 148 с.
3. Каблов Е. Н. Литые лопатки газотурбинных двигателей (сплавы, технология, покрытия). М.: МИСиС, 2001. 632 с.
ОБ АВТОРАХ
Павлинич Сергей Петрович, зав. каф. машин. и технол. литейного произв-ва, первый зам. ген. дир. -техн. дир. ОАО УМПО. Д-р техн. наук, проф. Иссл. в обл. технологии получения сложных отливок в авиац. промышленности.
Зайцев Максим Владимирович, асп. той же каф. Дипл. магистр техники и технологий по машинам и технологии литейного пр-ва (УГАТУ, 2008). Пишет дис. по исследованию и разработке технологии изготовления отливок узлов и лопаток ГТД с облегченными высокопрочными конструкциями для авиационных двигателей новых поколений.
