CC BY
287
ВИАМ/2013-Тр-03-02
УДК 669.018.44:669.295
СОСТОЯНИЕ, ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ СОЗДАНИЯ ЖАРОПРОЧНЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ ГТД
О. С. Кашапов
кандидат технических наук
А.В. Новак
Н.А. Ночовная доктор технических наук
Т. В. Павлова
Март 2013
Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП «ВИАМ» ГНЦ) - крупнейшее российское государственное материаловедческое предприятие, на протяжении 80 лет разрабатывающее и производящее материалы, определяющие облик современной авиационно-космической техники. 1700 сотрудников ВИАМ трудятся в более чем тридцати научноисследовательских лабораториях, отделах, производственных цехах и испытательном центре, а также в четырех филиалах института. ВИАМ выполняет заказы на разработку и поставку металлических и неметаллических материалов, покрытий, технологических процессов и оборудования, методов защиты от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов, полуфабрикатов и изделий на их основе. Работы ведутся как по государственным программам РФ, так и по заказам ведущих предприятий авиационно-космического комплекса России и мира.
В 1994 г. ВИАМ присвоен статус Государственного научного центра РФ, многократно затем им подтвержденный.
За разработку и создание материалов для авиационно-космической и других видов специальной техники 233 сотрудникам ВИАМ присуждены звания лауреатов различных государственных премий. Изобретения ВИАМ отмечены наградами на выставках и международных салонах в Женеве и Брюсселе. ВИАМ награжден 4 золотыми, 9 серебряными и 3 бронзовыми медалями, получено 15 дипломов.
Возглавляет институт лауреат государственных премий СССР и РФ, академик РАН, профессор Е.Н. Каблов.
Статья подготовлена для опубликования в журнале «Труды ВИАМ», №3, 2013 г.
УДК 669.018.44:669.295
О. С. Кашапов, А.В. Новак, Н.А. Ночовная, Т.В. Павлова,
СОСТОЯНИЕ, ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ СОЗДАНИЯ ЖАРОПРОЧНЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ ГТД
В статье отражены основные аспекты разработки и применения титановых сплавов для деталей газотурбинных двигателей. Проведено сравнение основных показателей физических и прочностных свойств жаропрочных и интерметал-лидных титановых сплавов различных поколений. Указаны направления развития материалов и технологий рассматриваемого класса.
Ключевые слова: титановые сплавы, механические свойства, структура, ин-терметаллиды титана.
O.S. Kashapov, A.V. Novak, N.A. Nochovnaya, T.V. Pavlova,
STATE, PROBLEMS AND PROSPECTS OF HEAT-RESISTANT TITANIUM ALLOYS FOR GTE PARTS
The paper describes the main aspects of the development and application of titanium alloys for turbine engine parts, comparison of the physical and mechanical properties of heat-resistant titanium and titanium aluminides alloys by different generations. The directions of the development of materials and technologies of the class were shown.
Key words: titanium alloys, mechanical properties, structure, titanium aluminides.
Существенное повышение требований к экономичности и надежности газотурбинных двигателей, к снижению их шумовых характеристик и увеличению ресурса заметно обострили проблему выбора конструкционных материалов, используемых для изготовления ответственных деталей двигателя, в первую очередь, - для лопаток и дисков компрессора высокого давления.
Если учесть, что в современном авиационном двигателе доля титановых сплавов составляет >30% (рис. 1) [1], то станет понятно, насколько важны эти материалы для авиации и насколько необходимо интенсивное развитие материаловедения титановых сплавов и технологии их производства.
до 300°С 300-450°С 500-550°С 600°С с 650-700°С
ВТ20, ВТ6, ВТ6, ВТ8-1, ВТ25У, В185У, ВТИ-4,
ВТ3-1 ВТ8М-1, ВТ9, ВТ8, ВТ41 ВИТ1
ВТ3-1, ВТ20 ВТ9
Рис. 1. Области применения жаропрочных титановых сплавов в конструкции ГТД
Одним из главных лимитирующих факторов при разработке титановых сплавов стало требование по повышению рабочей температуры деталей компрессора высокого давления ГТД до 550-650°С. По этой причине создание жаропрочных титановых сплавов с высоким сопротивлением малоцикловой усталости и ползучести является в настоящее время одной из наиболее актуальных задач современного двигателестроения.
Прототипами таких сплавов стали отечественные жаропрочные титановые сплавы ВТ25У и ВТ18У, разработанные и внедренные в 80-х годах прошлого столетия, и зарубежные сплавы 1М1834 и 1М1550 (Великобритания). Различия в химических составах отечественных и зарубежных сплавов невелики, но они носят крайне принципиальный характер.
Разработчики сплавов серии 1М1 в целях обеспечения высокого сопротивления ползучести и термостабильности существенно уменьшили содержание Р-фазы в своих сплавах. В результате этого значительно ухудшилась их технологичность. В отечественных сплавах небольшое количество остаточной Р-фазы было сохранено, поэтому они обладают приемлемой для производства технологичностью, что позволяет изготовлять блиски, барабаны, диски и лопатки различных ступеней КВД авиационных двигателей. Однако наличие остаточной Р-фазы привело к тому, что хотя по характеристикам кратковременной и длительной прочности при рабочих температурах отечественные титановые сплавы и превосходят импортные аналоги (табл. 1), но все же
сопротивление ползучести и термическая стабильность при предельной температуре (600°С) у наших сплавов ниже, чем у зарубежных.
Таблица 1
Механические свойства жаропрочных титановых сплавов [2]
Сплав Предел прочности, МПа Длительная прочность, МПа, в течение 100 ч
при температуре испытаний, °С
20 550 600 550 600
ВТ18У 910 - 600 - 372
1М1834 1040 - 600 - 300
ВТ25У 1080 784 - 450 -
1М1550 1048 715 597 410 -
Следует отметить, что приведенные в табл. 1 данные по уровню свойств жаропрочных титановых сплавов уже вряд ли удовлетворяют конструкторов. По этой причине относительно новые жаропрочные титановые сплавы - как отечественные, так и зарубежные (ВТ25У и ВТ18У, Т1-6-2-4-2 и 1М834) - нуждаются в дальнейшем улучшении их эксплуатационных характеристик.
Несмотря на то, что исследователи подошли практически вплотную к предельным возможностям твердорастворного упрочнения псевдо-а-сплавов титана, проводимые во ФГУП «ВИАМ» в данном направлении работы, позволяют считать, что применение дополнительного многокомпонентного легирования обеспечит некоторое повышение жаропрочных характеристик титановых сплавов. Так, использование дополнительного легирования такими элементами, как W и Бе, позволило обеспечить
повышение и предела прочности о6°° до 720 МПа, и предела длительной прочности при 600°С на базе 100 ч (о600 ) - до 335 МПа (рис. 2) для нового жаропрочного титанового сплава ВТ41. Улучшение прочностных характеристик и жаропрочности при введении дополнительных легирующих элементов связано, главным образом, с образованием некоторого количества карбидной фазы на основе вольфрама и упрочнением, вызванным дополнительным легированием а-твердого раствора железом, введенным в пределах растворимости.
Рис. 2. Механические свойства серийного сплава ВТ18У (□) и нового сплава ВТ41(^), полученные на штамповках дисков, изготовленных методом Р-деформации (при испытании на МЦУ: У=104 цикл; R=0; 7=10 Гц; К=3,35; Гн=0,25 мм)
В то же время свойства, связанные с механизмом ползучести и распространения трещины, зависят не столько от вида легирования, сколько от типа структуры. Получение заданного типа микроструктуры материала детали определяется технологическими режимами деформации, используемыми при ее изготовлении, и последующей термической обработки [3].
Проследить, каким образом технологические режимы термомеханической обработки влияют на микроструктуру сплава и, как следствие, - на трещиностойкость и характеристики усталостной прочности можно на примере нового жаропрочного титанового сплава ВТ41, который предназначен для работы при температурах до 600°С. Полуфабрикаты, изготовленные (а+Р)-деформацией, обладают глобулярнопластинчатой структурой (рис. 3), которая обеспечивает повышенные характеристики усталостной прочности на мало- и многоцикловой базах испытаний (табл. 2). Метод Р-деформации позволяет получить на полуфабрикатах пластинчатую структуру (рис. 3, а), которая обеспечивает повышенную жаропрочность и трещиностойкость (табл. 2)
[4].
Рис. 3. Микроструктура полуфабрикатов из сплава ВТ41: а - пластинчатая (штамповка, Р-деформация); б - глобулярно-пластинчатая (штамповка диска, (а+Р)-деформация); в - глобулярно-пластинчатая (пруток, (а+Р)-деформация)
Таблица 2
Механические свойства нового отечественного и зарубежного жаропрочных титановых сплавов [2, 3, 5, 6]
Сплав Полуфабрикат, состояние Ов О0,2 _600° ав _ 600° а 100 (МЦУ/МнЦУ): , МПа, при Л=2-104/Л=2-107 цикл
МПа
ВТ41 Штамповка (Р-деформация), отожженное состояние 1030 945 720 330 930/410
Штамповка ((а+Р)-деформация), отожженное состояние 1080 1020 660 295 970/490**
ІМІ834 Штамповка, пруток ((а+Р)-деформация), закалка и старение 1040 935 660 300 915/470 (Л=107 цикл)
*Для М ЦУ: R=0;7=10 Гц; для МнЦУ: К=-1;
** Катаный пруток, закалка и старение.
По данным, приведенным в табл. 2, можно сделать вывод, что
эксплуатационные свойства нового жаропрочного титанового сплава ВТ41 не только превышают свойства серийного сплава ВТ18У, но и превосходят свойства зарубежного жаропрочного титанового сплава-аналога ІМІ834.
Однако предел рабочих температур жаропрочных титановых сплавов типа ВТ18У, ВТ41 и ІМІ834 составляет 550-600°С, что является недостаточным для деталей компрессора и турбины ГТД нового поколения. Поэтому в течение последних лет внимание разработчиков и исследователей всего мира приковано к новому классу материалов. Благодаря высоким удельным прочностным характеристикам, рабочей температу-
ре >600°С и стойкости к окислению и возгоранию [7, 8], интерметаллидные сплавы на основе алюминидов титана, а именно на основе орто-фазы Т12АШЪ, являются наиболее перспективными материалами для изготовления деталей последних ступеней компрессора и турбины ГТД нового поколения.
Типичными представителями интерметаллидных титановых орто-сплавов являются сплавы, приведенные в табл. 3.
Таблица 3
Интерметаллидные сплавы на основе орто-фазы (^^ШЬ) [2, 9]
Сплав Система легирования Страна-разработчик
22-27 22-25 ВТИ-4 ВИТ1 Ті-А1-№> Ті-А1-№-(Мо, 2г, Бі) Ті-А1-№>-(2г, Мо)-Бі Ті-А1-КЬ-(2г, Мо, Та, W)-(Si, С) США Франция РФ (ФГУП «ВИАМ») РФ (ФГУП «ВИАМ»)
Современные орто-сплавы в качестве легирующих элементов (кроме ниобия) содержат также элементы: Мо, V, Та, W и 2г. Выбор указанных элементов обусловлен тем, что в тройных сплавах Ті-АІ-КЬ они повышают упругие и прочностные свойства, снижают окисляемость, а за счет изменения фазового состава и структурных превращений позволяют сформировать многочисленные типы структур с повышенными прочностными и пластическими характеристиками и параметрами надежности [9-12]. Для повышения жаропрочных свойств в сплавы вводят Бі и С, которые благодаря образованию сложных силицидов, карбидов и дисперсного упрочнения, повышают температурные характеристики - кратковременную и длительную прочность композиций.
Повышенные жаропрочные свойства орто-сплавов наблюдаются при легировании их тугоплавкими элементами, однако повышенное легирование нецелесообразно, поскольку увеличивается плотность сплавов и снижается пластичность, что приводит к уменьшению удельных жаропрочных характеристик и ухудшению технологичности. Преодоление указанных трудностей достигается путем разработки экономнолегированных орто-сплавов и использования технологий производства титановых сплавов, позволяющих за счет твердорастворного, дисперсионного и структурного упрочнения орто-фазы сохранить хорошую технологичность при сохранении приемлемой жаропрочности. Используя указанные приемы и методы, во ФГУП «ВИАМ» разработаны орто-сплавы ВТИ-4 и ВИТ1 [9, 13].
В табл. 4 представлены физико-механические свойства интерметаллидных титановых сплавов на основе орто-фазы (Ті2АШЬ).
Физические и механические свойства интерметаллидных титановых сплавов на основе орто-фазы [2, 9]
Сплав ё, г/см3 Ов, МПа 5, % ов/ё, км 650° Ов 650° О100 650° / і О100 / ё,
(усл. ед.) МПа км (усл. ед.)
22-27 5,4 1080 5,1 200,0 850 340 63,0
22-25 5,39 1415 4,6 262,5 944 - -
ВТИ-4 (лист 2,5 мм) 5,1 1150 8,0 225,5 950 350 68,5
ВИТ1 (пруток 25 мм) 5,3 1250 6,0 236,0 1150 450 85,0
Хотя интерметаллидные сплавы на основе орто-фазы Т12ЛШЬ являются наиболее перспективными материалами для изготовления деталей последних ступеней компрессора и турбины ГТД нового поколения, освоение орто-сплавов в промышленном масштабе сдерживается рядом трудностей, которые вызваны специфическими особенностями (большое количество легирующих элементов, повышенная температура плавления и вязкость расплавов, трудность точного определения основных компонентов) и использованием мощного металлообрабатывающего оборудования для производства конечных деформированных полуфабрикатов - штамповок, поковок, листов, прутков и пр. Поэтому оптимизация химического состава, технологий выплавки и деформации, направленная на повышение характеристик пластичности, технологий механической обработки, изучение кинетики структурно-фазовых превращений, происходящих при термомеханической обработке, являются первоочередными задачами при исследовании интерметаллидных титановых сплавов [12-15].
В настоящее время проводятся работы по освоению разработанных интерметал-лидных титановых сплавов на базе промышленных предприятий и их внедрению в перспективные изделия. Одновременно с этим продолжаются работы по дальнейшему совершенствованию композиций сплавов и технологий их металлургического производства в соответствии со стратегическими направлениями развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года [16-18]. Требования, предъявляемые конструкторами к материалам для модернизируемых и новых изделий авиационной техники, ставят перед разработчиками материалов все новые задачи.
ЛИТЕРАТУРА
1. Иноземцев А. А., Башкатов И.Г., Коряковцев А.С. Титановые сплавы в изделиях разработки ОАО «Авиадвигатель». Современные титановые сплавы и проблемы их развития: Сборник. М.: ВИАМ. 2010. С. 43-46.
2. Ильин А.А., Колачев Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства. Справочник. М.: ВИЛС-МАТИ. 2009. 520 с.
3. Кашапов О.С., Павлова Т.В., Ночовная Н.А. Влияние режимов термической обработки на структуру и свойства жаропрочного титанового сплава для лопаток КВД //Авиационные материалы и технологии. 2010. №2. С. 8-13.
4. Проходцева Л.В., Филонова Е.В., Наприенко С.А., Моисеева Н.С. Исследование закономерностей развития процессов разрушения при циклическом нагружении сплава ВТ41 /В сб. Авиационные материалы и технологии: Юбилейный науч.-технич. сб. (приложение к журналу «Авиационные материалы и технологии»). М.: ВИАМ. 2012. С. 407-411.
5. Gey N., Bocher P., Uta E., Humbert M., Gilgert J. How texture and microtexture influence dwell fatigue lifetime in forged IMI834 titanium alloys /In: Ti-2011: Proceedings of the 12th World Conference on Titanium. 2011. V. 1. P. 879-883.
6. TMC-0614. Timet Datasheet alloy 834 - Timet. 2000. 3 p.
/http://www.timet.com/images/document/datasheets/alphaalloys/834.pdf.
7. Ночовная Н.А., Алексеев Е.Б., Изотова А.Ю., Новак А.В. Пожаробезопасные титановые сплавы и особенности их применения //Титан. 2012. №4. С. 42-46.
8. Борисова Е.А., Скляров Н.М. Горение и пожаробезопасность титановых сплавов / Под редакцией Каблова Е.Н. М.: ВИАМ. 2007. 87 с.
9. Иванов В.И., Ночовная Н.А. Интерметаллиды на основе титана //Титан. 2007. №1. С.44-48.
10. Tang F., Nakazawa S., Hagiwara M. The effect of quaternary additions on the microstructures and mechanical properties of orthorhombic Ti2AlNb-based alloys //Material Science and Engineering A329-331. 2002. P. 494-498.
11. Germann L., Banerjee D., Guedou J.Y., Strudel J.-L. Effect of composition on mechanical properties of newly developed Ti2AlNb-based titanium aluminide //Intermetallics. 2005. №13. P. 920-924.
12. Titanium and titanium alloys. Fundamentals and applications /Ed. by Leyens C., Peters M. Wiley -VCH. Germany. 2003. 51 p.
13. Ночовная Н.А., Иванов В.И., Алексеев Е.Б., Кочетков А.С. Пути оптимизации эксплуатационных свойств сплавов на основе интерметаллидов титана /В сб. Авиационные материалы и технологии: Юбилейный науч.-технич. сб. (приложение к журналу «Авиационные материалы и технологии»). М.: ВИАМ. 2012. С. 196-205.
14. Хаджиева О.Г., Илларионов А.Г., Попов А.А. Влияние водорода на процессы структурообразования и деформируемость сплава на основе орторомбического алюминида титана //Титан. 2012. №4. С. 21-26.
15. Nochovnaya N., Izotova A., Alexeev E., Ivanov V. Opportunities of increase of mechanical properties of the deformed semifinished products from Ti-Al-Nb system alloys /In: Ti-2011. Proceedings of the 12th World Conference on Titanium. 2011. V. 2. P. 1383-1386.
16. Каблов Е. Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года /В сб. Авиационные материалы и технологии: Юбилейный науч.-технич. сб. (приложение к журналу «Авиационные материалы и технологии»). М.: ВИАМ. 2012. С. 1-7.
17. Каблов Е.Н. ВИАМ. Направление главного удара //Наука и жизнь. 2012. №6. С. 14-18.
18. Антипов В.В. Стратегия развития титановых, магниевых, бериллиевых и алюминиевых сплавов /В сб. Авиационные материалы и технологии: Юбилейный науч.-технич. сб. (приложение к журналу «Авиационные материалы и технологии»). М.: ВИАМ. 2012. С. 157-166.
