ПСЕВДО β-ТИТАНОВЫЙ СПЛАВ ДЛЯ ВЫСОКОНАГРУЖЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ

Егорова Ю.Б.; Давыденко Л.В.; Чибисова Е.В.; Шмырова А.В.

7. Losyuk Y. A., Kuzmich V. V. Netradisionniye istochniki energii [Untraditional resources of energy] / Y. A. Losyuk, V. V. Kuzmich. - Minsk.: UP «TexHonpHHT» ["Technoprint"], 2005. - 234 p. [in Russian]

8. Batukhtin A. G. Development of the heat supply method efficiency of which increase with the use of heat exchange / A. G. Batukhtin, S. G. Batukhtin, P. G. Safronov, M. G. Baranovskaya // European Science and Technology. - 2015. - Vol. 2. -P. 275-279.

9. Solanki C. S. Solar photovoltaic technology and systems / C. S. Solanki. - Delhi: PHI Learning Private Limited, 2016. - 96 p.

10. Solanki C. S. Solar Photovoltaics: Fundamentals, technologies and applications / C. S. Solanki. - Delhi: PHI Learning Private Limited, 2015. - 75 p.

DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2017.66.152 Егорова Ю.Б.1, Давыденко Л.В.2, Чибисова Е.В.3, Шмырова А.В.4

1ORCID: 0000-0002-3111-9499, профессор, доктор технических наук;

3ORCID: 0000-0002-6201-9984, Ступинский филиал МАИ;

2ORCID: 0000-0002-1175-3409, доцент, кандидат технических наук, Московский политехнический университет;

4ORCID: 0000-0002-2269-0482, ПАО «Научно-производственное предприятие «Аэросила» ПСЕВДО Р-ТИТАНОВЫЙ СПЛАВ ДЛЯ ВЫСОКОНАГРУЖЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ

Аннотация

На основе обобщения опубликованных литературных данных проведены статистические исследования температуры полиморфного превращения, фазового состава и механических свойств деформированных полуфабрикатов из титанового сплава Ti-10V-2Fe-3Al. Методом регрессионного анализа получены уравнения для расчёта температуры полиморфного превращения и количества первичной а-фазы после закалки. Установлены статистические взаимосвязи механических свойств, позволяющие оценить возможные комбинации трещиностойкости, прочностных и пластических характеристик.

Ключевые слова: химический состав, механические свойства, термическая обработка, применение сплава Ti-10V-2Fe-3Al (Ti-10-2-3).

Yegorova Yu.B.1, Davydenko L.V.2, Chibisova E.V.3, Shmyrova A.V.4

1ORCID: 0000-0002-3111-9499, Professor, PhD in Engineering;

3ORCID: 0000-0002-6201-9984, Stupino branch of MAI;

2ORCID: 0000-0002-1175-3409, Associate professor, PhD in Engineering, Moscow Polytechnic University;

4ORCID: 0000-0002-2269-0482, PJSC Research and Development Enterprise, Aerosila

PSEUDO P-TITANIUM ALLOY FOR HIGH-LOADED PARTS OF AERONAUTICAL ENGINEERING

Abstract

Based on the generalization of data, presented in other works, the statistical research of the temperature of polymorphic transformation, phase composition, and mechanical properties of deformed semi-finished products from Ti-10V-2Fe-3Al titanium alloy are carried out. The regression analysis is used to obtain equations for calculating the temperature of the polymorphic transformation and the amount of the primary a-phase after quenching. The statistical interrelations of mechanical properties have been established, they make it possible to evaluate possible combinations of crack resistance, strength and plastic characteristics.

Keywords: chemical composition, mechanical properties, heat treatment, use of Ti-10V-2Fe-3Al (Ti-10-2-3) alloy.

Сплав Ti-10V-2Fe-3Al (сокращенное обозначение Ti-10-2-3) - это высокопрочный псевдо р-титановый сплав, разработанный в 80-х годах прошлого века в США и предназначенный для изготовления высоконагруженных деталей авиационного назначения (конструкций планеров самолетов, шасси, пилонов, дверей, шарниров, цапф, подшипников, деталей вертолетов и др.) [1], [2], [3]. В РФ в начале 2000-х годов было налажено производство различных полуфабрикатов из этого сплава для компании Боинг. В настоящее время из него изготавливают слитки, кованые билеты и более ста шифров штампованных поковок массой от 20 до 3200 кг [4]. Следует отметить, что сплав Ti-10-2-3 в отличие от других титановых сплавов не имеет российских аналогов, поэтому в отечественной научной литературе практически полностью отсутствует какая-либо доступная информация, за исключением самых общих сведений, приведенных в справочниках [1], [2]. Данная статья восполняет, хотя бы частично, этот пробел. В качестве литературных источников были использованы уникальный по объему информации американский справочник [3], труды Международных конференций по титану [5-12], монография [13], справочные издания [1], [2] и некоторые другие источники [14-19].

Цель исследования состояла в обобщении литературных данных и статистическом исследовании фазового состава, температуры полиморфного превращения (ТИП) и механических свойств сплава Ti-10-2-3.

Исходными данными для статистического анализа послужили следующие факторы: содержание легирующих элементов и примесей, температура полиморфного превращения (ТИИ); температура нагрева под закалку Тз; количество первичной а-фазы после закалки, механические свойства (условный предел текучести с02, предел прочности св, относительное удлинение 5, относительное сужение у, вязкость разрушения К1с). Статистические исследования, проведенные с помощью пакета «Statistica», включали в себя первичную статистическую обработку и корреляционно-регрессионный анализ по стандартным методикам [20].

Химический состав сплава по американским спецификациям авиационного назначения AMS приведен в табл. 1. Средние типичные значения интегральных характеристик химического состава: коэффициент р-стабилизации kp=1,1,

структурные эквиваленты по алюминию [А! '\ЭКР =4,0% и молибдену =12,1 [2]. По данным американского

справочника [3] температура полиморфного превращения (Т1III) соответствует 790-805оС. Однако обзор опубликованных работ показывает, что ТПП может изменяться в более широком диапазоне 780 - 8400С [9, с. 948-955; 10, с. 529-536; 11, с. 1164-1170, 1187-1194, 1219-1226; 12, с. 443-446, 529-536; 13; 15-17]. Для стабилизации разброса ТПП в пределах партии однотипных слитков необходимо, чтобы величина суммарных колебаний химического состава, эквивалентного алюминию и молибдену, была на уровне не более 2,5 % [21, 22]. Для оценки ТПП можно использовать соотношение:

ТПП = 890 + 22,3 А1 - 13,9У - 8,0Бе.

Таблица 1 - Химический состав сплава Т1-10-2-3 по спецификациям АМ8 4983, АМ8 4984, АМ8 4986, АМ8 _4987 [3]_

Основные компоненты, % по массе Примеси (не более, %)

Т1 V Бе А1 У С О N н Прочие

Основа 9,011,0 1,6 -2,2 2,63,4 <0,0 05 0, 05 0, 13 0, 05 0,0 15 0,3

Фазовый состав сплава Т1-10-2-3 в равновесном состоянии после простого отжига представлен ~30-40% а-фазы и ~60-70% р-фазы [2, с. 53]. Параметры решётки а-фазы: а = 0,293595 нм, с = 0,467454 нм; р-фазы: а = 0,3238 нм [3]. Сплав обладает высокими технологическими свойствами при обработке давлением. Из него изготавливают различные виды полуфабрикатов: биллеты, плиты, прутки, поковки, которые обычно используют в термически упрочненном состоянии (табл. 2). Для этого применяют закалку, обработку на твердый раствор или р-отжиг, после чего следует старение или перестаривание (табл. 2). Сплав Т1-10-2-3 обладает сквозной прокаливаемостью в деталях толщиной до 125 мм и имеет значительный эффект термического упрочнения.

Таблица 2 - Промышленные режимы термической обработки сплава Т1-10-2-3 [2], [3]

Спецификация Термическая обработка Закалка Старение*

Т, °С х, ч Охлаждение Т, °С

АМ8 4983А Старение для снятия напряжений - - - 480-510

АМ8 4984 Закалка +старение ТПП -(15-40)°С >0,5 вода 480-510

АМ8 4986 Закалка +старение ТПП-(15-40)°С >0,5 вода 510-540

АМ8 4987 Закалка + перестаривание ТПП -(15-40)°С >0,5 вода 565-620

Примечание: * охлаждение на воздухе, > 8 часов.

При повышении температуры нагрева под закалку количество а-фазы уменьшается и после закалки с температур выше ТПП структура сплава представлена метастабильной р-фазой (с когерентной по отношению к матрице ю-фазой). Количество первичной а-фазы, формирующейся в процессе закалки в интервале температур от 7000С до ТПП, можно оценить по соотношению:

па = (0,3±0,02У(ТПП - Тз), %.

В промышленных условиях применяют нагрев под закалку не до Р-области, а до температур а+Р-области ниже ТПП на 15-70°С [2, 3], так что фазовый состав после закалки представлен первичной а-фазой и метастабильной р-фазой, а после старения - первичной и вторичной а-фазами и р-фазой равновесного состава. Количество фаз и прочностные свойства сплава в процессе старения могут как увеличиваться, так и уменьшаться в зависимости от температуры нагрева под закалку, температуры старения и длительности старения. По данным работы [10, с. 11471154] после закалки (7600С, 1ч, вода) и старения (495-5200С, 8ч, воздух) фазовый состав сплава представлен 23-28% первичной а-фазы, 41-47% р-фазы и 30-33% вторичной а-фазы. Старение при температурах ниже 475°С не применяют во избежание образования ю-фазы, резко снижающей пластичность. Максимальный эффект упрочнения наблюдается после старения при температурах 480-540°С [3].

Механические свойства поковок после стандартной термической обработки должны соответствовать требованиям, приведенным в табл. 3.

Таблица 3 - Гарантированные механические свойства штампованных поковок сплава Т1-10-2-3 при комнатной

температуре [2], [3]

^0,2, Ов, К.1С, Толщина

Нормативная МПа МПа % % МПа-м1/2 поковки,

документация мм

АМ8 4983 1103 1240 4 - <25

АМ8 4984 1100 1190 4 факульта- 44 <75

АМ8 4986 1000 1100 6 тивно 60 -

АМ8 4987 895 965 8 88 -

Комплекс механических свойств сплава Т1-10-2-3 можно варьировать в довольно широких пределах путем термической обработки. По данным, обобщенным в справочнике [2], предел прочности различных полуфабрикатов из сплава Т1-10-2-3 может изменяться от 842 до 1545 МПа, относительное удлинение - от 0 до 38%, поперечное сужение - от 0 до 60%, вязкость разрушения - от 30 до 100 МПа-м1/2 Путем закалки и старения можно получить довольно высокий уровень временного сопротивления разрыву (более 1550 МПа). Однако при этом почти полностью утрачиваются пластические свойства, резко падает вязкость разрушения (рис. 1). Поэтому сплав чаще всего применяют в состоянии небольшого перестаривания.

Рис. 1 - Регрессионные взаимосвязи механических свойств сплава Т1-10У-2Ре-3Л1 после различной термической

обработки

Из полученных данных следует, что увеличение предела прочности на 100 МПа приводит к снижению

относительного удлинения на 3%, поперечного сужения на 6%, вязкости разрушения в среднем на 14 МПа- ~\1м (табл. 4). Для оценки надежности конструкций в эксплуатации применяют параметр К1С/а0,2, поэтому вязкость разрушения целесообразно прогнозировать в зависимости от условного предела текучести, а не предела прочности. В этом случае

увеличение с0,2 на 100 МПа приводит к снижению К1С на 8 МПа- л/м

При уровне прочности св=800 МПа относительное удлинение лежит в интервале 15-35 %, поперечное сужение 3060%, вязкость разрушения 90-120 МПа- л/м (рис. 1). При св=1400 МПа эти характеристики снижаются до значений 5=2-7 %, у=5-30%, К1С= 30-50 МПа- л/м .

Таблица 4 - Результаты регрессионного анализа взаимосвязей механических свойств деформированных

полуфабрикатов из сплава Т1-10У-2Бе-3Л1 после термической обработки

№ Регрессионная модель Я 8 п

1 5 = 43,8 - 0,03-с0,2 0,83 4,0 % 132

2 5 = 48,3 - 0,03 •св 0,8 4,3 % 132

3 у = 70,4 - 0,03-с0,2 0,39 15,3 % 74

4 у= 89,6 - 0,05-св 0,46 14,7 % 74

5 с0,2= -119 + 1,03-св 0,94 70 МПа 132

6 К1С = 149,4 - 0,08- с0,2 0,69 17,8 МПа- л/м. 12

7 К1С = 185,3 - 0,11-св 0,72 15 МПа -Тм. 27

Примечание: Я - коэффициент корреляции, 8 - статистическая ошибка, п - объем выборки.

На основе проведенных статистических исследований можно оценить возможные комбинации трещиностойкости, прочностных и пластических характеристик деформированных полуфабрикатов после различной термической обработки.

Список литературы / References

1. Кершенбаум В.С. Международная инженерная энциклопедия: Международный транслятор современных сталей и сплавов / под ред. В.С. Кершенбаума. - М.: Наука и техника. 1992. - 650 с.

2. Ильин А.А. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства. Справочник / А.А. Ильин, Б.А. Колачев, И.С. Полькин. - М.: ВИЛС-МАТИ. 2009. - 520 с.

3. Boyer R. Materials Properties Handbook. Titanium Alloys. / Ed. by R. Boyer, G. Welsch, E. W. Collings. - OH, USA, ASM International: Materials Park, 1994. - 1176 p.

4. Кондратов Е.Н. Исследование структуры кристаллизации сплава Ti-10V-2Fe-3Al при ВДП / Е.Н. Кондратов, М.О. Ледер, К.А. Русаков // Титан. - 2017. - № 1 (55). - С. 22-27.

5. Jaffee R.I. Titanium Science and Technology: Proceedings of the 2nd International Conference on Titanium / Ed. by R.I. Jaffeе and H.M. Burte. - New York: Plenum Press, 1973. - Vol. 3. - P. 1945-1956, P. 1993-1995.

6. Титан. Металловедение и технология: Труды 3-й международной конференции по титану. - М.: ВИЛС, 19771978. - Т. 1 - C. 199-204, C. 281-293, Т.2 - C. 513-524, C. 665-678, C. 697-707.

7. Titanium'80: Science and Technology: Proceedings of the Fourth International Conference on Titanium. - Kyoto, Japan, May 19-22, 1980. - Vol. 1. - P. 469-475, Vol. 2. - P. 1571-1581.

8. Titanium'84: Science and Technology: Proceedings of the Fifth International Conference on Titanium. - FRG, Munich, 1984. - Vol. 2. - P. 1261-1267, 1307-1313.

9. Titanium'95: Science and Technology: Proceedings 8th World Conference on Titanium. - Birmingham, UK, London, 1996. - Vol. 1. - P. 948-955, 1147-1154. - Vol. 2. - P. 1243-1250, 1371-1378.

10. Titanium'99: Science and Technology: Proceedings 9th World Conference on Titanium. - Saint-Petersburg, Russia, 7-11 July 1999. - Vol. 1. - P. 487-492, 529-536. - Vol. 2. - P. 1164-1170, 1187-1194, 1219-1226. - Vol. 3. - P. 1548-1552.

11. Titanium'2003: Science and Technology: Proceedings 10th World Conference on Titanium. - Hamburg, Germany, 13-18 July 2003. - Vol. 1. - P. 470-477. - Vol. 2. - P. 1219-1226. - Vol. 3. - P. 1895-1902. - Vol. 4. - P. 2051-2057, 26152626, 2643-2653, 2713-2717. - Vol. 5. - P. 3059-3066.

12. Titanium'2007: Science and Technology: Proceedings 11th World Conference on Titanium. - Kyoto, Japan, 3-7 June 2007. - Vol. 1. - P. 95-98, 443-446, 529-536, 571-575. - Vol. 2. - P. 929-932, 1255-1262, 1295-1300.

13. Natraj Y. Heattreatment-Microstructure and Tensile behavior of Ti-10V-3Fe-3Al / Y. Natraj, N. Rao GVS, TK Nandy // Germany, Saarbrucken: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. - 2011. - 54 p.

14. Rosenberg H.W. Ti-10V-2Fe-3Al: A forging alloy development / H.W. Rosenberg // Proceedings of the Metal Society Conference on Forging and Properties of Aerospace Materials, The Metals Society, London. - 1978. - P. 279-299.

15. Duerig T.W. Shape memory in Ti-10V-2Fe-3Al / T.W. Duerig, D.F. Richter, J. Albrecht // Scripta Metallurgica. -1982. - Vol. 16, - P. 957-961.

16. Zhongquan D. Study on optimizing Isothermal Forging Technological parameters of Ti-10V-2Fe-3Al by Way of Computer Programme / D. Zhongquan, C. Yuxiu, W. Gaochao, W. Yimin // Advanced Technology of Plasticity. - 1990. - Vol. 1, - P. 279-283.

17. Boyer R.R. Processing Properties relationships of Ti-10V-2Fe-3Al / R.R. Boyer, G.W. Kuhlman // Metallurgical Transactions A. - 1987. - Vol. 18. - Issue 12. - P. 2095-2103.

18. Toyama K. The Effect of Heat Treatment on the Mechanical Properties of Ti-10V-2Fe-3Al / K. Toyama, T. Maeda // Transactions Iron and Steel Institute of Japan. - 1986. - Vol. 26. - P. 814-821.

19. Goken J. Strain-dependent damping of Ti-10V-2Fe-3Al at room temperature / J. Goken, S. Fayed, P. Skubisz // Acta Physica Polonica A. - 2016. - Vol. 130. - No. 6. - P. 1352-1357.

20. Кулаичев А.П. Методы и средства комплексного анализа данных / А.П. Кулаичев. - М: ФОPУМ: ИНФPА-М. 2006. - 512 с.

21. Егорова Ю.Б. Прогнозирование температуры полиморфного превращения промышленных слитков титановых сплавов по их химическому составу / Ю.Б. Егорова, Л.В. Давыденко, Е.В. Чибисова, С.Б. Белова // Электрометаллургия. - 2016. - №12. - С. 7-15.

22. Егорова Ю.Б. Исследование стабильности температуры полиморфного превращения промышленных слитков титановых сплавов / Ю.Б. Егорова, Л.В. Давыденко, И.М. Мамонов // Международный научно-исследовательский журнал International Research Journal. - 2016. - №5(47). - Ч. 3. - С. 92-94.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Kershenbaum V.S. Mezhdunarodnaja inzhenernaja jenciklopedija: Mezhdunarodnyj transljator sovremennyh stalej i splavov [International Engineering Encyclopedia: International translator of modern steels and alloys] / ed. by. V.S. Kershenbaum. - M.: Nauka i tehnika. 1992. - 650 p. [in Russian]

2. Il'in A.A. Titanovye splavy. Sostav, struktura, svojstva. Spravochnik [Titanium alloys. Composition, structure, properties. Directory] / A.A. Il'in, B.A. Kolachev, I.S. Pol'kin. - M.: VILS-MATI. 2009. - 520 p. [in Russian]

3. Boyer R. Materials Properties Handbook. Titanium Alloys. / Ed. by R. Boyer, G. Welsch, E.W. Collings. - OH, USA, ASM International: Materials Park, 1994. - 1176 p.

4. Kondrashov E.N. Issledovanie struktury kristallizacii splava Ti-10V-2Fe-3Al pri VDP [Investigation of the crystallization structure of the Ti-10V-2Fe-3Al alloy at the VAR] / E.N. Kondrashov, M.O. Leder, K.A. Rusakov // Titan [Titanium]. - 2017. - № 1 (55). - P. 22-27. [in Russian]

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

5. Jaffee R.I. Titanium Science and Technology: Proceedings of the 2nd International Conference on Titanium / Ed. by R.I. Jaffeе and H.M. Burte. - New York: Plenum Press, 1973. - Vol. 3. - P. 1945-1956, P. 1993-1995.

6. Titan. Metallovedenie i tehnologija: Trudy 3-j mezhdunarodnoj konferencii po titanu [Titanium. Metal Science and Technology: Proceedings of the 3rd International Conference on Titanium] - M.: VILS, 1977-1978. Vol. 1 - P. 199-204, P. 281-293, - Vol.2 - P. 513-524, P. 665-678, P. 697-707. [in Russian]