CC BY
34
УДК 669.295
DOI: 10.24412/0321-4664-2023-1-22-31
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ22 ПРИ КОМНАТНОЙ И ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ
Юлия Борисовна Егорова1, докт. техн. наук, профессор, Людмила Васильевна Давыденко2, канд. техн. наук, доцент, Игорь Михайлович Мамонов1, канд. техн. наук, доцент
Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), Москва, Россия, e-mail: egorova_mati@mail.ru 2Московский политехнический университет, Москва, Россия,
e-mail: mami-davidenko@mail.ru
Аннотация. Приведены результаты статистических исследований зависимости механических свойств прутков из титанового сплава ВТ22 от режимов отжига и химического состава на основе анализа экспериментальных, литературных и производственных данных. Статистически обосновано современное типичное содержание легирующих элементов и примесей в серийных полуфабрикатах из сплава ВТ22 в перерасчете на эквиваленты по алюминию и молибдену и их технологический разброс. Установлены регрессионные зависимости для оценки средних значений механических свойств прутков 14x14 мм из сплава ВТ22 от температуры отжига и эквивалентов легирующих элементов и примесей по алюминию и молибдену. Разработаны модели, позволяющие проводить оценку предела прочности различных полуфабрикатов из сплава ВТ22 при температуре эксплуатации в интервале 20-600 °С, если известно значение предела прочности при комнатной температуре.
Ключевые слова: химический состав; слитки; прутки; титановый сплав ВТ22; механические свойства; термическая обработка; температура эксплуатации
Prediction of Mechanical Properties of VT22 Titanium Alloy at Room and Elevated Temperatures. Dr. of Sci. (Eng.), Professor Yulia B. Egorova1, Cand. of Sci. (Eng.), Associate Professor Lyudmila V. Davydenko2, Cand. of Sci. (Eng.), Associate Professor Igor M. Mamonov1
1MoscowAviation Institute (National Research University), Moscow, Russia, e-mail: egorova_mati@mail.ru
2Moscow Polytechnic University, Moscow, Russia, e-mail: mami-davidenko@mail.ru
Abstract. The results of statistical studies on the effect of the annealing conditions and chemical composition on the mechanical properties of VT22 titanium alloy bars are presented on the base of the analysis of experimental, literature and production data. The current typical content of alloying elements and impurities in industrial semi-finished products made of VT22 alloy is statistically proven in terms of aluminum and molybdenum equivalents and their manufacturing tolerance. Regression dependencies were determined to estimate the average mechanical properties of 14x14 mm bars made of VT22 alloy depending on annealing temperature and equivalents of alloying elements and impurities in terms of aluminum and molybdenum. Some models have been developed to evaluate the tensile strength of various VT22 alloy semis at operating temperatures within the range of 20-600 °C, if the value of the tensile strength at room temperature is known.
Key words: chemical composition; ingots; bars; VT22 titanium alloy; mechanical properties; heat treatment; operating temperature
Введение
Сплав ВТ22 - это высокопрочный, высоколегированный (а + р)-титановый сплав, разработанный в 1965 г. прошлого века в ВИАМе. Он предназначен для изготовления крупногабаритных силовых деталей фюзеляжа, крыла, систем управления, газотурбинных двигателей, крепежных деталей типа ушковых болтов и других деталей, работающих при температурах от -70 до 350 °С [1-7]. Позднее были предложены его модификации - сплавы ВТ22И; ВТ22ч; ВТ22М, ВТ22Д. В 80-х гг. была проведена корректировка химического состава сплава ВТ22 (табл. 1), в частности, были снижены максимально возможные содержания алюминия, хрома и кислорода. Сплав ВТ22М дополнительно легирован оловом и цирконием, что приводит к дополнительному упрочнению, а также отличается от ВТ22 более узкими диапазонами содержания легирующих элементов и пониженным количеством примесей. Область применения аналогична области применения сплава ВТ22. Сплав ВТ22И содержит меньшую концентрацию алюминия (см. табл. 1), что повышает его способность к холодной деформации. Он предназначен для изготовления точных штамповок способом изотермического деформирования (панелей, крышек люков, кронштейнов, рычагов, ушковых болтов). Химический состав сплава ВТ22Д сильно отличается от состава сплава ВТ22. Кроме А1, Мо, V, Сг, Fe он содержит Бп,
2г, Си [6]. Сплав ВТ22Д рекомендуется для изготовления дисков и лопаток компрессоров низкого давления перспективных авиадвигателей и в настоящее время проходит опытно-промышленное опробование [6].
В соответствии с отечественной классификацией титановые сплавы типа ВТ22 относятся к переходному классу. В стабильном состоянии они содержат от 25 до 50 % р-фазы, а при резком охлаждении с температур р-области сохраняют р-структуру. Сплавы этого класса охватывают концентрационную область от критического до несколько закри-тического состава, определяемую коэффициентом р-стабилизации, равным кр = 1,0-1,5 [1]. По зарубежной классификации эти сплавы относят к псевдо-р-сплавам (с метастабильной р-фазой после закалки) [1, 8]. По содержанию р-стабилизаторов сплавы типа ВТ22 с номинальным составом близки ко второй критической концентрации, для которой коэффициент р-стабилизации равен кр = 1, а структурный эквивалент по молибдену -12 % (табл. 2).
Сплавы этого класса обладают высокой гетерогенностью структуры. Высокая дисперсность смеси а- и р-фаз обусловлена примерно одинаковым их количеством в структуре сплава, поэтому сплав ВТ22 относится к самым прочным титановым сплавам в отожженном состоянии [1-4]. Сплавы имеют также максимальный эффект упрочнения после закалки и старения, при этом прокаливаются в достаточ-
Химический состав (% мас.) сплавов ВТ22 и ВТ22И Таблица 1
Сплав НД А1 Мо V Fe Сг О С N Н Сумма прочих примесей
ВТ22 ГОСТ 19807-74 ОСТ 1 90013-71 4,4-5,9 4,0-5,5 4,0-5,5 0,5-1,5 0,5-2,0 <0,20 <0,10 <0,05 <0,015 <0,3
ГОСТ 19807-91 ОСТ 1 90013-81 4,4-5,7 4,0-5,5 4,0-5,5 0,5-1,5 0,5-1,5 <0,18 <0,10 <0,05 <0,015 <0,3
ВТ22И ОСТ 1 90013-81 2,6-3,8 4,0-5,5 4,0-5,5 0,5-1,5 0,5-1,5 <0,18 <0,10 <0,05 <0,015 <0,3
но больших сечениях (до 200 мм). Из них изготавливают различные виды полуфабрикатов: прутки, поковки, штамповки, плиты, профили.
Сплавы применяют в отожженном и термически упрочненном состоянии. В соответствии с инструкцией ВИАМа ПИ1.2587-2002 отжиг деформированных полуфабрикатов из сплава ВТ22 проводят по режимам: 1) нагрев до температуры 700-780 °С, выдержка 1-2 ч, охлаждение с печью до 450 °С, далее на воздухе; 2) нагрев до температуры 820 - (Тпп - 30) °С, выдержка 1-2 ч, охлаждение с печью до 750-770 °С, выдержка 1-3 ч, охлаждение на воздухе, нагрев до 500-650 °С, выдержка 2-6 ч, охлаждение на воздухе [4, 5, 9]. Дополнительное упрочнение может быть достигнуто после закалки в воде с температур 720-780 °С, выдержки в течение 1 ч и старения при 480-600 °С в течение 4-8 ч, охлаждение на воздухе [9].
Комплекс механических свойств сплава ВТ22 можно варьировать в довольно широких пределах путем обработки давлением и термической обработки. Обобщение литературных данных, приведенных в монографии [1] и в более поздних работах [5, 6, 10-13], показывает, что после отжига, закалки + старения предел прочности различных полуфабрикатов может изменяться от 1000 до 1860 МПа, относительное удлинение от 2 до 21 %, поперечное сужение от 6 до 65 %, ударная вязкость от 12 до 90 Дж/см2, вязкость разрушения (К1с) от 30,7 до 94,9 МПа • м1/2, предел выносливости на базе 107 циклов от 265 до 617 МПа.
Таблица 2 Эквиваленты легирующих элементов по алюминию и молибдену и температура полиморфного превращения в сплавах типа ВТ22 [1, 4, 9]
Сплав Номинальный состав сплава, % мас. кв [A& % [Мо]Эткрв, % Тпп, °С
ВТ22 Т1-5А!-5Мо-5У-1Сг-^е 1,15 6,0 12,7 850-880
ВТ22И Т1-3А!-5Мо-5У-1Сг-^е 1,15 4,0 12,7 820-860
ВТ22М Т1-5А!-5Мо-5У-1Сг-^е-1,5Бп-27г 1,15 6,8 12,7 -
На рис. 1, характеризующем возможный разброс механических свойств в координатах «характеристики пластичности - предел прочности» и «ударная вязкость - предел прочности», наблюдается тенденция к снижению
я
и О
в
о
О О
°о
ОС <Ъз О
О L,u ^ О О О® .о
о > о о о
о о о
8 о о
О о о о
о о
&
н о В
б 4 2 0
1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 Предел прочности, МПа
70 60 50 40 30 20 10 0
1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 Предел прочности, МПа
о о
о с о° ° о
1 о* о ° о С0 о О о О
< Х5>"о >оО О о о о о о о
8 О J 0% О <£ ° <? о о э о о о о о о
о о о 8 о
о о 6 > О
100
м 90
г
i 80
St 70
60
g 50
1 40
я 30
я
№ 20
£ 10
0
о
о о
с о 9
о ° <ъ° р V о О О
"о о 8 о О о
о о о" о ° о °о О О ( ) О
о О о О о о
1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 Предел прочности, МПа
Рис. 1. Зависимость характеристик пластичности
и ударной вязкости от предела прочности различных деформированных полуфабрикатов (прутки, поковки, балки, прокат, профили, штамповки дисков и лопаток) из сплава ВТ22 после отжига и закалки + старения
относительного удлинения, поперечного сужения и ударной вязкости с повышением прочности сплава.
В работах [15-18] было установлено, что свойства промышленных полуфабрикатов из титановых сплавов могут существенно зависеть не только от структуры, определяемой режимами деформации и термической обработки, но и от колебаний марочного состава в пределах, установленных техническими условиями. Особенно сильно этот эффект проявляется в сплавах переходного класса и псевдо-р-сплавах с кр ® 0,7-1,2 и эквивалентом по молибдену 8-13 %. В частности, в зависимости от колебаний содержания легирующих элементов их структура после закалки из р-области может быть представлена или одной р-фазой, или р-фазой и мартенситом а'' [1, 3, 7, 8, 14, 19-25]. Именно этим обусловлен основной недостаток сплава ВТ22, связанный с большим разбросом свойств из-за широкого диапазона легирования.
Цель исследования состояла в установлении статистических закономерностей влияния колебаний марочного состава и режимов отжига на механические свойства прутков из сплава ВТ22 и разработке на этой основе методов прогнозирования механических свойств при температурах 20-600 °С.
Исходные материалы и методика проведения исследований
Исходными данными для статистического анализа послужили результаты производственных испытаний. Объекты исследования - слитки и прутки из сплава ВТ22, изготовленные по промышленной технологии в 1970-1975 гг. и 2009-2011 гг. на СМК и СТК. Кованые прутки сечением 14x14 мм (технологические пробы) подвергали термической обработке по режимам: отжиг при температурах 700-800 °С в течение 1 ч, охлаждение в печи до 400-450 °С со скоростью 2-4 °С/мин, далее на воздухе.
Механические испытания на растяжение и ударную вязкость при комнатной температуре проводили в заводских условиях в соответствии с установленными ГОСТами. На каждую плавку было испытано от 2 до 5 образцов.
Для статистической оценки влияния температуры испытания (в интервале 20-600 °С) на предел прочности промышленных полуфабрикатов из сплава ВТ22 были использованы литературные данные, приведенные в работах [2, 4, 5, 26, 27].
Для статистических исследований были выбраны следующие факторы:
1. Содержание легирующих элементов и примесей.
2. Температура полиморфного превращения (7пп).
3. Суммарное содержание легирующих элементов и примесей в перерасчете на структурные эквиваленты по алюминию и молибдену [1]:
[А1]ЭК£ = %Al + %Sn/3 + %Zr/6 + + 10[<%>0 + %C + 2(%М)], [Мо]ЭК£ = %Мо + %У/1,4 + %Сг/0,6 + + %М п/0,6 + %Ре/0,4 + 1/0,8.
(1)
(2)
4. Механические свойства (предел прочности ств, относительное удлинение 5, поперечное сужение у, ударная вязкость КСи).
5. Температура отжига
6. Температура испытания I
Статистические исследования, проведенные с помощью пакетов прикладных программ Б1аС1а7 и Э1а11з11са, включали первичную статистическую обработку и корреляционно-регрессионный анализ по стандартным методикам [28-30]. Определяли следующие статистические показатели: диапазон, величину размаха, выборочное среднее, дисперсию, стандартное отклонение Э, трехсигмовый интервал 6Э, коэффициент вариации, коэффициент корреляции Я; проводили проверку нормальности распределения, значимости коэффициента корреляции и адекватности регрессионных моделей с доверительной вероятностью 0,95.
Результаты статистических исследований и их обсуждение
На первом этапе была проведена первичная статистическая обработка химического состава и 7пп слитков, изготовленных в 1970-х и 2010-х гг. (табл. 3). Для исследования влияния химического состава на механические свойства сплава ВТ22 и отработки техноло-
Таблица 3 Статистические характеристики химического состава и ТПП слитков сплава ВТ22
Статистические характеристики А1, % Мо, % V, % Fe, % Сг, % О, % С, % N1, % [Д!]ЭТР, % [Мо]ЭКР, % Тпп, °С
1970-1975, 23 слитка СМК
Диапазон значений по факту 3,96,5 4,05,6 4,15,9 0,71,6 0,61,7 0,050,18 0,020,13 0,0090,05 5,48,6 10,416,5 840900
Выборочное среднее 5,16 4,86 4,85 1,08 1,08 0,10 0,062 0,02 6,9 12,8 875
Стандартное отклонение Э 0,72 0,32 0,36 0,25 0,28 0,04 0,05 0,016 0,95 1,43 30
Коэффициент вариации, % 14 7 7 23 26 40 80 80 14 11 3
2009-2011, 24 слитка СТК
Диапазон значений по факту 5,155,70 4,705,44 4,605,10 0,601,10 0,691,00 0,050,13 0,020,04 - 6,07,0 11,513,0 850890
Выборочное среднее 5,37 5,06 4,90 0,90 0,93 0,06 0,03 0,01 6,5 12,5 870
Стандартное отклонение Э 0,16 0,19 0,13 0,14 0,10 0,02 0,007 - 0,29 0,46 20
Коэффициент вариации, % 3 4 3 16 11 33 27 - 3 4 2
гии плавки, горячей деформации и термической обработки шихтовку слитков в 1970-х гг. проводили таким образом, чтобы обеспечить высокий разброс содержания легирующих элементов, выходящий за рамки НД. В результате этого изменение содержания а- и р-стабилизаторов, выраженное через сумму эквивалентов по алюминию и молибдену, в слитках 1970-х гг. составляло 6Э ~ 15 %, что соответствовало 3ст-интервалу 13,0-28,0 %.
В слитках 2010-х гг. среднее содержание основных компонентов не выходит за нормативные пределы по ОСТ1 90013-81 и ГОСТ 807-91. Однако для А1 и Мо максимальные значения совпадают с верхней границей нормативного диапазона легирования. Коэффициент вариации для А1, Мо и V лежит в интервале 3,0-4,0 %, что свидетельствует о достаточно высокой однородности химического состава в пределах марки сплава и удовлетворяет требованиям Руководства Р СЦМ-04 (<7 %). Для Сг и Fe коэффициент вариации более 7 % и составляет 11 и 16 % соответственно. Стандартное отклонение для основных компонентов Э = 0,1-0,2 %. Для примесей наиболее сильные колебания обнаружены для кислорода и углерода, но их содержание не выходит за установленные пределы.
Химический состав слитков 1970-х и 2010-х гг сопоставлен на рис. 2 в координатах эквивалент по алюминию - эквивалент по молибдену. В 2009-2011 гг. структурные эквиваленты по алюминию и молибдену изменяются в пределах [Д!]Эткрв = 6,0-7,0 %, [Мо]ЭткВ = 11,5-13,0 %, а величина статистического диапазона легирования
9,0
£
8,5 8,0 7,5 7,0 6,5 6,0 5,5 5,0
о
о о о
о
о 1970—1975 гг. -
о о о 3 ° п ♦ • 2ииу—^ Номина 1Ш гг. льный с остав
♦ о ►
► ♦♦ • 4М» ♦ С*
о °С э
О
10 11 12 13 14 15 16 17 Структурный эквивалент по молибдену, %
Рис. 2. Диаграмма «Структурный эквивалент по алюминию - структурный эквивалент по молибдену» для сплава ВТ22
Таблица 4 Статистические значения эквивалентов легирующих элементов и примесей по алюминию и молибдену в сплаве ВТ22
Структурный эквивалент Среднее по номинальному составу Статистический разброс* Статистическое среднее
[Д!]Эткрв, % 6,0 5,5-7,5 6,5
[Мо]ЭКВ, % 12,7 11,0-14,0 12,5
* Указан трехсигмовый интервал.
(3а-интервала) составляет 6Э = 2,0 и 3,0 % соответственно. Изменение содержания а- и р-стабилизаторов, выраженного через сумму эквивалентов по алюминию и молибдену, в слитках 2010-х гг. составило 6Э ~ 3,5 %, что соответствовало 3а-интервалу 17,0-21,0 %.
На основе обобщения литературных и производственных данных в табл. 4 приведены статистически обоснованные значения эквивалентов легирующих элементов и примесей по алюминию и молибдену и их разброс (трехсигмовый интервал), характерный для современного производства полуфабрикатов из сплава ВТ22.
Проведенные исследования показали, что в настоящее время среднее значение эквивалента по молибдену почти совпадает с теоретическим, рассчитанным по номинальному составу. В то же время эквивалент по алюминию значительно выше номинального значения 6,0 %, что обусловлено влиянием примесей и, прежде всего, кислорода. Статистический разброс эквивалента по молибдену показывает,
что его минимальное значение практически совпадает со второй критической концентрацией, а максимальное близко к сплавам закри-тического состава.
Механические свойства сплава ВТ22 исследовали на кованых прутках сечением 14x14 мм (технологических пробах) после отжига при 700-800 °С в течение 1 ч, охлаждения с печью до 400-450 °С, затем на воздухе. В зависимости от химического состава и температуры отжига механические свойства прутков изменяются в довольно широких пределах (табл. 5). Так, например, абсолютная разница между максимальным и минимальным значениями предела прочности может достигать 300 МПа. Более высокий разброс значений имеют ударная вязкость и пластические свойства. Для этих характеристик максимальные значения в 2-6 раз выше минимальных.
На основе статистического анализа были установлены регрессионные зависимости для оценки средних значений механических свойств прутков 14x14 мм из сплава ВТ22 от химического состава и температуры отжига:
ав = 1340 + 50 [Д!]Эткрв + 35 [Мо]ЭТВ - 1,23<а1Ж, (3) 5 = -8,93 - 0,85 [Д!]ЭКРв - 0,83 [Мо]ЭК£ + 0,054™ (4) V = 148 - 8,4 [Д!]ЭКВ - 5,3 [Мо]ЭКВ + 0,034^, (5)
кси = 0,0049 - 0,0055 [Д!]ЭТВ -- 0,039 [м о] этр + 0,00124™. (6)
Коэффициенты корреляции 0,84-0,96, статистические ошибки оценки среднего значения
Таблица 5 Статистические характеристики механических свойств кованых прутков 14x14 мм из сплава ВТ22 разного химического состава после отжига (13 плавок, 1970-1975 гг.)
Статистические характеристики ав, МПа 8, % V, % КСи, МДж/м2
Диапазон значений по факту 1090—1390 8,0-20,0 10,0-63,0 0,15-0,5
Выборочное среднее 1242 14,2 44 0,31
Стандартное отклонение Э 83,4 3,6 16,5 0,11
Коэффициент вариации, % 7 25 38 35
Требования ОСТ1 90173-75 1080-1230 >10 >30 >0,29
Состав 1 Состав 2 Состав 3 ттНД тах НД
700 720 740 760 780 Температура отжига, °С
800
Рис. 3. Регрессионная зависимость предела прочности от температуры отжига прутков 14*14 мм из сплава ВТ22, легированного по нижней границе 3а-интервала [А1]ЭКВ = 5,5 %, [Мо]ЭткВ = 11,0 % (состав 1); по середине [А1]ЭКВ = 6,5 %, [Мо]ЭКВ = 12,5 % (сочетав 2) и верхней границе 3а-интервала [А!]ЭТР = 7,5 %,
[Мо]ЭТВ = 14,0 % (состав 3). Выдержка 1 ч, охлаждение с печью до 450 °С, далее на воздухе
составляют 35 МПа, 2,2 %, 6,5 %, 0,046 МДж/м2 соответственно. Соотношения (3-6) справедливы в пределах марочного состава после отжига при 700-800 °С в течение 1 ч, охлаждения в печи до 400-450 °С, далее на воздухе.
С повышением температуры отжига с 700 до 800 °С предел прочности снижается при одновременном увеличении характеристик пластичности и ударной вязкости, что связано с уменьшением количества а-фазы в структуре сплава (рис. 3). Коэффициенты регрессии,
характеризующие влияние исследованных факторов, показывают, что повышение температуры отжига на 10 °С приводит к снижению предела прочности в среднем примерно на 12 МПа, повышению относительного удлинения на 0,5 %, поперечного сужения на 0,3 %, ударной вязкости на 0,12 МДж/м2. В процессе охлаждения с печью изменение температуры в интервале от 400 до 450 °С не оказывает значимого влияния на уровень механических свойств сплава ВТ22.
Повышение суммарного содержания а- и Р-стабилизаторов на 1 % сопровождается повышением предела прочности на 50 и 35 МПа соответственно, снижением относительного удлинения на 0,83-0,85 %, поперечного сужения на 8,4 и 5,3 %, ударной вязкости на 0,006 и 0,04 МДж/м2. Наиболее высокая прочность характерна для сплава ВТ22 с максимальным содержанием а- и р-стабилизаторов (см. рис. 3).
В табл. 6 для примера сопоставлены фактические и расчетные значения механических свойств прутков из сплава ВТ22, которые показали их хорошее соответствие.
Полученные результаты можно использовать не только для прогнозирования свойств прутков из сплава ВТ22, но и для обоснования химического состава и температуры отжига, обеспечивающих требуемый уровень механических свойств согласно ОСТ1 90173-75. Например, для обеспечения среднего уровня предела прочности (1155 МПа) прутков, имеющих наиболее типичные средние значения эквивалентов [А!]^ = 6,5 %, Мо] ЭткРв = 12,5 %, температура отжига должна составлять 770 °С
Таблица 6
Механические свойства* технологической пробы (кованых прутков 14x14 мм)
из сплава ВТ22 разного химического состава после отжига** (2010 г.)
[А1]ЭТРв, % [Мо]ЭТР, % Тпп, °С и = Тпп - 100, °С 0в, МПа 8, % V, % КСи, МДж/м2
1127 17 59 0,41
1100 18,2 61,0 0,47
1254 10 38 0,32
1220 14,0 46,0 0,36
* В числителе указано среднее по результатам двух опытов, в знаменателе - расчетное значение по
соотношениям (3-6).
** Выдержка 1 ч, охлаждение с температуры отжига до 450 °С, далее на воздухе.
1300
1200
1100
б
Р. 1000
О
о
Й 900
&
,1 800
ч
в' 700
600
500
1 1 -Состав 1 -Состав 2 -Состав 3 ......min ВД ......тах НД -
\V
Q
с !"— ' V,
'—
0 100 200 300 400 500 600
Температура испытания, °С
Рис. 4. Температурная зависимость предела прочности прутков 14*14 мм из сплава ВТ22, легированного по нижней границе 3а-интервала [Д!]ЭткВ = 5,5 %, [Мо]ЭТВ = 11,0 % (состав 1); по середине [Д!]ЭТВ = 6,5 %, [Мо]ЭткВ = 12,5 % (состав 2) и верхней границе 3а-интервапа [Д!]экв = 7,5 %, [Мо]ЭКРв = 14,0 % (состав 3);
НД - требования [5]
(см. рис. 3). При этом режиме отжига прогнозируемые значения характеристик пластичности и ударной вязкости (8 = 13,7 %, V = 53,3 %, КСи = 0,41 МДж/м2) лежат выше пределов, установленных ОСТ1 90173-75.
На основе обобщения литературных данных [2, 4, 5, 26, 27] были получены регрессионные зависимости предела прочности (в % по отношению к комнатной температуре) прутков и поковок из сплава ВТ22 от температуры испытания в интервале 20-600 °С:
а% = 100 - 0,129(/ - 20) + + 0,00026 Ц - 20)2 -3,326 • 10-7(? - 20)3. (7)
Коэффициент корреляции равен 0,95, статистическая ошибка модели 1,3 %. Соотношение (7) позволяет проводить прогнозирование предела прочности отожженных полуфабрикатов, если известно значение предела прочности при комнатной температуре. На рис. 4 для примера приведены результаты прогнозирования температурных зависимостей предела прочности прутков 14x14 мм из сплава В22, легированного по нижней границе 3а-интервала
[Д!]ЭТВ = 5,5 %, Мо] эткрв = 11,0 % (состав 1); по
середине [Д!]ЭткРВ = 6,5 %, Мо] Эткрв = 12,5 % (со-
став 2) и верхней границе 3а-интервала
[Д!]ЭкВ = 7,5 %, Мо] Эткрв = 14,0 % (состав 3), после отжига при температуре = Тпп - 100 °С. Температура полиморфного превращения составляла 877, 884, 889 °С соответственно и была определена по соотношению, приведенному в работе [31]:
Т|-ц-| = 882 + 20,0 [А1]Эткрв - 10,0 Мо] - 0,23( [А1]ЭКВ )2 + 0,044( Мо] ЭКР )2.
стр экв
Из рис. 4 следует, что легирование по нижнему пределу может приводить к появлению значений, не удовлетворяющих нормативным требованиям: 1080-1230 МПа при комнатной температуре и 780-880 МПа при температуре 400 °С в соответствии с ОСТ1 90173-75 и справочником ВИАМа [5].
Выводы
1. На основе статистических исследований экспериментальных, литературных и производственных данных проанализированы корреляционные связи механических свойств с химическим составом и режимами отжига прутков из сплава ВТ22.
2. Показано, что высокий разброс механических свойств прутков из сплава ВТ22 может быть связан с колебаниями марочного состава и режимов отжига.
3. Установлены регрессионные зависимости для оценки средних значений механических свойств прутков 14x14 мм из сплава ВТ22 от температуры отжига и эквивалентов легирующих элементов и примесей по алюминию и молибдену.
4. Разработаны регрессионные модели, позволяющие проводить оценку прогнозируемого уровня предела прочности прутков из сплава ВТ22 при температуре эксплуатации, если известно значение предела прочности при комнатной температуре.
5. Полученные результаты можно использовать не только для прогнозирования свойств прутков из сплава ВТ22, но и для обоснования химического состава и температуры отжига, обеспечивающих требуемый уровень механических свойств.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ильин А.А., Колачев Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства: Справ. М.: ВИЛС-МАТИ, 2009. 520 с.
2. Глазунов С.Г., Моисеев В.Н. Конструкционные титановые сплавы. М.: Металлургия, 1974. 368 с.
3. Борисова Е.А. и др. Титановые сплавы. Металлография титановых сплавов. М.: Металлургия, 1980. 464 с.
4. Машиностроение. Энциклопедия. Т. 2-3. Цветные металлы и сплавы / Под ред. Фридляндера И.Н. Раздел 2. Титан и титановые сплавы / Моисеев В.Н. М.: Машиностроение, 2001. С. 272-353.
5. Авиационные материалы: Справ. в 12 т. / Под общ. ред. Е.Н. Каблова. Т. 6. Титановые сплавы. М.: ВИАМ, 2010. 96 с.
6. Яковлев А.Л., Ночовная Н.А., Путырский С.В., Крохина В.А. Перспективы применения высокопрочного титанового сплава ВТ22 и его модификаций // Титан. 2018. № 2. С. 42-47.
7. Полькин И.С. Технологии будущего - полный мониторинг процесса // Известия вузов. Цветная металлургия. 2001. № 4. С. 62-65.
8. Materials Properties Handbook. Titanium Alloys / Boyer R. [and other] // ASM International. The Material Information Society. 1994. 1176 р.
9. ПИ 1.2.587-2002. Термическая обработка полуфабрикатов и деталей из титановых сплавов. М.: ВИАМ, 2002. 29 с.
10. Крохина В.А., Путырский С.В., Яковлев А.Л., Ночовная Н.А. Перспективы применения ß-де-формации для высокопрочного титанового сплава переходного класса ВТ22М // Титан. 2019. № 3. С. 49-55.
11. Скугарев А.В., Бурханова А.А., Ночовная Н.А., Изотова А.Ю. Эффективность применения изотермической деформации при изготовлении штамповок из титановых сплавов // Титан. 2013. № 1. С. 31-34.
12. Леонов В.П., Чудаков Е.В., Кулик В.П., Малин-кина Ю.Ю., Третьякова Н.В. Влияние коррозион-но-активной среды на вязкость разрушения титановых сплавов псевдо ß-класса // Материалы VI Всеросс.конф. по испытаниям и исследованиям свойств материалов «Тест МАТ», 12-13.02.2015, ВИАМ. www.conf.viam.ru/proceedings
13. Прилуцкий В.П., Ахонин С.В., Радкевич И.А., Рухановский С.Б., Петриченко И.К., Антонюк С.Л. Аргонодуговая наплавка на титановый сплав ВТ22 проволокой СП15 / Сборник трудов Международной конференции «Ti-2009 в СНГ», Украина, Одесса. 17-20 мая 2009. Киев: РИО ИМФ им. Г.В. Кур-дюмова НАН Украины. 2009. С. 323-329.
14. Полькин И.С. Упрочняющая термическая обработка титановых сплавов. М.: Металлурия, 1984. 96 с.
15. Egorova Yu.B., Davydenko L.V., Chibisova E.V., Belova S.B. Forecasting Mechanical Properties of Forgings of VT6 and VT3-1 Titanium Alloys Depending on the Chemical Composition and Structure // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2018. Vol. 59. Р. 148-156.
16. Егорова Ю.Б., Полькин И.С., Давыденко Л.В.
Возможности повышения качества поковок дисков из сплава ВТ6 путем корректировки химического состава // Технология легких сплавов. 2015. № 3. С. 65-71.
17. Egorova Yu.B., Davydenko L.V., Chibisova E.V.
Heat Treatment Regimes Influence on Mechanical Properties of Forging Products of a + p- and Pseudo-P-Titanium Alloys // Solid State Phenomena. 2018. Vol. 284. Р. 289-294.
18. Egorova Yu.B., Davydenko L.V., Chibisova E.V., Belova S.B. Theoretical and Statistical Basis for Stability of Titanium Alloy Ti - 6 % Al - 4 % V Semiproduct Mechanical Properties // Metal Science and Heat Treatment. 2018. Vol. 60. Issue 5-6. Р 277-284.
19. Boyer R.R. Aerospace Application of Beta Titanium Alloys // JOM: J. Miner., Metal. and Mater. Soc. 1994. Vol. 46. № 7. Р. 14-15.
20. Froes F.H., Bomberger H.B. The Beta Titanium Alloys // J. Metals. 1985. July. Р. 28-37.
21. Bania P.J. The Beta Titanium Alloys and their Role in Titanium Industry // JOM: J. Miner., Metal. and Mater. Soc. 1994. Vol. 46. № 7. Р. 16-19.
22. Rosenberg H.W. Ti-10V-2Fe-3Al: A forging alloy development // Proceedings of the Metal Society Conference on Forging and Properties of Aerospace Materials, The Metals Society. London. 1978. Р. 279-299.
23. Duerig T.W., Richter D.F., Albrecht J. Shape memory in Ti-10V-2Fe-3Al // Scripta Metallurgica. 1982. Vol. 16. Р. 957-961.
24. Boyer R.R., Kuhlman G.W. Processing Properties relationships of Ti-10V-2Fe-3Al // Metallurgical Transactions A. 1987. Vol. 18. Iss. 12. Р. 2095-2103.
25. Toyama K., Maeda T. The Effect of Heat Treatment on the Mechanical Properties of Ti-10V-2Fe-3Al // Transactions Iron and Steel Institute of Japan. 1986. Vol. 26. Р. 814-821.
26. Сигалов Ю.М., Локтионов Г.И., Дьяконов Ю.А. Исследование процесса прокатки сплава ВТ22 // Технология легких сплавов. 1972. № 2. С. 105-110.
27. Глазунов С.Г., Матвеенко А.Ф., Гельман А.А., Стронина Л.А., Родионов В.Л., Голубева Г.В. Свойства полуфабрикатов из титанового сплава ВТ22 // Технология легких сплавов. 1972. № 2. С. 110-114.
28. Кулаичев А.П. Методы и средства комплексного анализа данных. М.: ФОРУМ: ИНФРА-М. 2006. 512 с.
29. Боровиков В.П., Ивченко Г.И. Прогнозирование в системе Statistica в среде Windows. Основы теории и интенсивная практика на компьютере. М.: Финансы и статистика, 2006. 368 с.
30. Боровиков В.П. Популярное введение в современный анализ данных в системе STATISTICA. М.: Горячая линия-Телеком, 2013. 288 с.
31. Полькин И.С., Егорова Ю.Б., Давыденко Л.В. Моделирование состава и свойств титановых сплавов при комнатной и повышенных температурах // Технология легких сплавов. 2021. № 2. С. 63-75.
REFERENCES
1. Il'in A.A., Kolachev B.A., Pol'kin I.S. Titanovyye splavy. Sostav, struktura, svoystva: Sprav. M.: VILS-MATI, 2009. 520 s.
2. Glazunov S.G., Moiseyev V.N. Konstruktsionnyye titanovyye splavy. M.: Metallurgiya, 1974. 368 s.
3. Borisova Ye.A. i dr. Titanovyye splavy. Metallografiya titanovykh splavov. M.: Metallurgiya, 1980. 464 s.
4. Mashinostroyeniye. Entsiklopediya. T. 2-3. Tsvet-nyye metally i splavy / Pod red. Fridlyandera I.N. Razdel 2. Titan i titanovyye splavy/ Moiseyev V.N. M.: Mashinostroyeniye, 2001. S. 272-353.
5. Aviatsionnyye materialy: Sprav. v 12 t. / Pod ob-shch. red. Ye.N. Kablova. T. 6. Titanovyye splavy. M.: VIAM, 2010. 96 s.
6. Yakovlev A.L., Nochovnaya N.A., Putyrskiy S.V., Krokhina V.A. Perspektivy primeneniya vysoko-prochnogo titanovogo splava VT22 i yego modifi-katsiy // Titan. 2018. № 2. S. 42-47.
7. Pol'kin I.S. Tekhnologii budushchego - polnyy monitoring protsessa // Izvestiya vuzov. Tsvetnaya metallurgiya. 2001. № 4. S. 62-65.
8. Materials Properties Handbook. Titanium Alloys / Boyer R. [and other] // ASM International. The Material Information Society. 1994. 1176 p.
9. PI 1.2.587-2002. Termicheskaya obrabotka polu-fabrikatov i detaley iz titanovykh splavov. M.: VIAM, 2002. 29 s.
10. Krokhina V.A., Putyrskiy S.V., Yakovlev A.L., Nochovnaya N.A. Perspektivy primeneniya ß-deformat-sii dlya vysokoprochnogo titanovogo splava perekhod-nogo klassa VT22M // Titan. 2019. № 3. S. 49-55.
11. Skugarev A.V., Burkhanova A.A., Nochovnaya N.A., Izotova A.Yu. Effektivnost primeneniya izotermi-cheskoy deformatsii pri izgotovlenii shtampovok iz titanovykh splavov // Titan. 2013. № 1. S. 31-34.
12. Leonov V.P., Chudakov Ye.V., Kulik V.P., Malinki-na Yu.Yu., Tret'yakova N.V. Vliyaniye korrozionno-aktivnoy sredy na vyazkost' razrusheniya titanovykh splavov psevdo ß-klassa // Materialy VI Vseross.konf. po ispytaniyam i issledovaniyam svoystv materialov «Test MAT», 12-13.02.2015, VIAM. www.conf.viam. ru/proceesings
13. Prilutskiy V.P., Akhonin S.V., Radkevich I.A., Rukha-novskiy S.B., Petrichenko I.K., Antonyuk S.L. Ar-gonodugovaya naplavka na titanovyy splav VT22 provolokoy SP15 / Sbornik trudov Mezhdunarodnoy konferentsii «Ti-2009 v SNG», Ukraina, Odessa. 1720 maya 2009. Kiev: RIO IMF im. G.V. Kurdyumova NAN Ukrainy. 2009. S. 323-329.
14. Pol'kin I.S. Uprochnyayushchaya termicheskaya ob-rabotka titanovykh splavov. M.: Metalluriya, 1984. 96 s.
15. Egorova Yu.B., Davydenko L.V., Chibisova E.V., Belova S.B. Forecasting Mechanical Properties of Forgings of VT6 and VT3-1 Titanium Alloys Depending on the Chemical Composition and Structure // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2018. Vol. 59. P. 148-156.
16. Egorova Yu.B., Pol'kin I.S., Davydenko L.V. Voz-mozhnosti povysheniya kachestva pokovok diskov iz splava VT6 putem korrektirovki khimicheskogo sostava // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 2015. № 3. S. 65-71.
17. Egorova Yu.B., Davydenko L.V., Chibisova E.V. Heat Treatment Regimes Influence on Mechanical Properties of Forging Products of a + ß- and Pseudo-ß-Titanium Alloys // Solid State Phenomena. 2018. Vol. 284. P. 289-294.
18. Egorova Yu.B., Davydenko L.V., Chibisova E.V., Belova S.B. Theoretical and Statistical Basis for Stability of Titanium Alloy Ti - 6 % Al - 4 % V Semiproduct Mechanical Properties // Metal Science and Heat Treatment. 2018. Vol. 60. Issue 5-6. P. 277-284.
19. Boyer R.R. Aerospace Application of Beta Titanium Alloys // JOM: J. Miner., Metal. and Mater. Soc. 1994. Vol. 46. № 7. P 14-15.
20. Froes F.H., Bomberger H.B. The Beta Titanium Alloys // J. Metals. 1985. July. P. 28-37.
21. Bania P.J. The Beta Titanium Alloys and their Role in Titanium Industry // JOM: J. Miner., Metal. and Mater. Soc. 1994. Vol. 46. № 7. P. 16-19.
22. Rosenberg H.W. Ti-10V-2Fe-3Al: A forging alloy development // Proceedings of the Metal Society Conference on Forging and Properties of Aerospace Materials, The Metals Society. London. 1978. P. 279-299.
23. Duerig T.W., Richter D.F., Albrecht J. Shape memory in Ti-10V-2Fe-3Al // Scripta Metallurgica. 1982. Vol. 16. P. 957-961.
24. Boyer R.R., Kuhlman G.W. Processing Properties relationships of Ti-10V-2Fe-3Al // Metallurgical Transactions A. 1987. Vol. 18. Iss. 12. P. 2095-2103.
25. Toyama K., Maeda T. The Effect of Heat Treatment on the Mechanical Properties of Ti-10V-2Fe-3Al // Transactions Iron and Steel Institute of Japan. 1986. Vol. 26. P. 814-821.
26. Sigalov Yu.M., Loktionov G.I., D'yakonov Yu.A. Issledovaniye protsessa prokatki splava VT22 // Tekh-nologiya lyogkikh splavov. 1972. № 2. S. 105-110.
27. Glazunov S.G., Matveyenko A.F., Gel'man A.A., Stronina L.A., Rodionov V.L., Golubeva G.V. Svoystva polufabrikatov iz titanovogo splava VT22 // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 1972. № 2. S. 110-114.
28. Kulaichev A.P. Metody i sredstva kompleksnogo analiza dannykh. M.: FORUM: INFRA-M. 2006. 512 s.
29. Borovikov V.P., Ivchenko G.I. Prognozirovaniye v sisteme Statistica v srede Windows. Osnovy teorii i intensivnaya praktika na komp'yutere. M.: Finansy i statistika, 2006. 368 s.
30. Borovikov V.P. Populyarnoye vvedeniye v sovre-mennyy analiz dannykh v sisteme STATISTICA. M.: Goryachaya liniya-Telekom, 2013. 288 s.
31. Pol'kin I.S., Egorova Yu.B., Davydenko L.V. Mo-delirovaniye sostava i svoystv titanovykh splavov pri komnatnoy i povyshennykh temperaturakh // Tekh-nologiya lyogkikh splavov. 2021. № 2. S. 63-75.
