CC BY
48
УДК 620.172.254:669.018.44:669.295
А.Н. Савушкин1, О.С. Кашапов1, С.А. Голынец1
ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ИАГРУЖЕНИЯ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖАРОПРОЧНЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
Работа посвящена исследованию влияния условий нагружения на механические свойства жаропрочных титановых (а+в)- и псевдо-а-титановых сплавов ВТ18У, ВТ41, ВТ8 и ВТ8М-1. Проведены испытания при растяжении образцов с различной скоростью нагружения при 20°С и при максимальных рабочих температурах для каждого сплава на испытательной машине TIRA-test 2300/1. Установлено, что в зависимости от степени легирования жаропрочные титановые сплавы обладают различной чувствительностью к скорости нагружения.
Ключевые слова: титановые сплавы, испытания при растяжении, микроструктура, механические свойства.
Mechanical properties of heat-resistant (а+в) titanium alloys and pseudo-a-titanium alloys VT18U, VT41, VT8, VT8M-1 were investigated depending on loading conditions. The tension test of specimens with different loading rates at 20°C and maximal working temperatures were made for each alloy with the use of TIRA-test 2300/1 testing machine. It was found out that sensibility of heat-resistant titanium alloys to the loading rate varies depending on the alloying level.
Keywords: titanium alloys, tension tests, microstructure, mechanical properties.
Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal state unitary enterprise «All-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation] E-mail: admin@viam.ru
Введение
Авиационное материаловедение играет значительную роль в развитии авиации и является существенным фактором при создании новых моделей авиационной и космической техники. С целью упорядочения и выбора наиболее важных направлений развития материаловедения, в ВИАМ разработаны «Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» [1], где большое внимание уделено, в том числе, и титановым сплавам [1-4].
Жаропрочные титановые сплавы широко применяются для изготовления деталей авиационных ГТД, включая рабочие лопатки компрессора [5-10]. В отраслевой документации регламентируется методика проведения контрольных испытаний при растяжении в соответствии с требованиями ГОСТ Р 1497 и ГОСТ Р 9651, а также ОСТ1 90002 «Лопатки штампованные из титановых сплавов. Технические требования», где дополнительно оговорено, что скорость передвижения захватов при растяжении образцов должна быть 0,4-0,6 от расчетной длины образца. Для контроля механических свойств на готовых деталях или в случае малогабаритных размеров лопаток возможно использование нестандартных образцов, не регламентированных ГОСТ. Исследование влияния параметров испытаний на характеристики механических свойств жаропрочных титановых сплавов, применяемых для изготовления лопаток, позволит оценить фактическое различие в результатах испытаний при разных условиях их проведения, а также определить чувствительность механических свойств того или иного сплава в зависимости от степени его легирования.
Материалы и методы
Исследования проводили на катаных прутках из сплавов ВТ8 и ВТ18У, изготовленных по ОСТ1 90006, в отожженном состоянии; на лопатках из сплава ВТ8М-1 габарита «К», изготовленных по ОСТ1 90002, в отожженном состоянии; на прутках диаметром 22 мм и штамповках лопаток габарита «Мг» из сплава ВТ41 в отожженном состоянии. Микроструктура материалов приведена на рис. 1.
10 мкм
10 мкм
10 мкм
згзг
Рис. 1. Микроструктура полуфабрикатов из сплавов ВТ8 (а), ВТ8М-1 (б), ВТ18У (в) и ВТ41 (г)
Микроструктура является типичной для данных сплавов и полуфабрикатов [11-14]: для прутков и лопаток из сплавов ВТ8, ВТ8М-1 и ВТ41 - глобулярно-пластинчатого типа, для прутков из сплава ВТ18У - пластинчатая.
Испытания проводили на испытательной машине TГОA-test 2300/1 при комнатной температуре, а также при повышенных температурах: 450°С - для сплавов ВТ8, ВТ8М-1, 600°С - для сплавов ВТ18У и ВТ41 (по ГОСТ Р 1497 и ГОСТ Р 9651). Механические свойства сплавов приведены в табл. 1.
Таблица 1
Механические свойства сплавов ВТ41, ВТ18У, ВТ8 и ВТ8М-1 (стандартные образцы)
Сплав V, мм/мин 20° 20° О 0,2 5 20° V 20° Т А ИСП; °с Ов, МПа 5 V
М] Па % %
ВТ18У 2 1005 910 11 28 600 725 12,5 41
5 980 910 10 28 600 745 11,5 38
10 985 915 8,5 28 600 700 10 35
ВТ41 2 995 920 20,5 42 600 645 32 75
5 1025 950 16,5 42 600 640 30 74
10 1015 950 16 43 600 650 28 74
ВТ8 2 1065 985 17 52 450 805 16 63
5 1090 1030 12 44 450 795 14 64
10 1075 1000 12,5 41 450 775 16 67
ВТ8М-1 2 1070 980 14 44 450 780 11 44
5 1060 980 15 46 450 820 13 62
10 1075 1000 12,5 37 450 780 16 65
Результаты и обсуждение
По результатам испытаний механических свойств рассматриваемых жаропрочных титановых сплавов установлено, что они обладают различной чувствительностью к скорости нагружения. Для объяснения выявленных различий более подробно рассмотрим композиции сплавов по уровню легирования а- и Р-твердых растворов основными легирующими элементами. Диаграмма, на которой сплавы распределены в зависимости от уровня легирования Р-стабилизаторами, выраженного через структурный молибденовый эквивалент ([Мо]экв) [15], представлена на рис. 2.
Рис. 2. Уровень легирования титановых сплавов Р-стабилизаторами, выраженный через структурный эквивалент по молибдену ([Мо]экв)
Значения структурного эквивалента по алюминию ([Л1]ЭКв), характеризующие сплавы с точки зрения степени легирования а-твердого раствора, и структурного эквивалента по молибдену ([Мо]экв), а также содержание Si - одного из наиболее значимых легирующих элементов жаропрочных титановых сплавов, приведены в табл. 2.
Таблица 2
Уровень легирования жаропрочных титановых сплавов_
Характеристика Значения характеристик для сплавов
ВТ18У ВТ41 ВТ8 ВТ8М-1
[Л1]экв, % 9,3 8,7 8,3 5,9
[Мо]экв, % 1,0 2,2 3,4 3,75
Содержание 81, % (по массе) 0,15 0,3 0,3 0,2
Закономерности изменения характеристик кратковременной прочности при комнатной температуре представлены на рис. 3.
Прочностные характеристики сплавов в условиях испытаний при растяжении при 20°С с увеличением скорости нагружения от 2 до 10 мм/мин возрастают. Наиболее чувствительной характеристикой является относительное удлинение, величина которого заметно изменяется для сплавов с большим содержанием кремния (ВТ41 и ВТ8). По относительному сужению наибольшую чувствительность проявили (а+Р)-сплавы (ВТ8, ВТ8М-1). Среди рассматриваемых сплавов сплав ВТ8 оказался наиболее чувствительным к условиям испытаний, наименее чувствительным - сплав ВТ18У, что, вероятно, обусловлено отличием типа микроструктуры (пластинчатая) от остальных сплавов
(глобулярно-пластинчатая) и, как следствие, минимальными значениями пластичности этого материала.
о0 2, МПа
1020
980
940-
900
5, % 25
15-1
а)
в)
10
V, мм/мин
10
V, мм/мин
1020
980
940
900
V, % 60
40
20
б)
МПа
• 1
1 г— • • <
1
•
г)
10
V, мм/мин
10
V, мм/мин
Рис. 3. Механические свойства сплавов ВТ18У (•), ВТ41 (•), ВТ8 (•) и ВТ8М-1 (•) при 20°С в зависимости от скорости перемещения захватов при растяжении:
а - предел текучести; б - предел прочности; в - относительное удлинение; г - относительное сужение
2
6
2
6
5
2
6
2
6
На рис. 4 представлены закономерности изменения характеристик механических свойств при повышенных температурах (450°С - для сплавов ВТ8 и ВТ8М-1, 600°С -для сплавов ВТ18У и ВТ41).
При повышенных температурах прочностные характеристики рассматриваемых сплавов практически не изменяются. Характеристики пластичности сплавов ВТ8, ВТ41 и ВТ18У также практически не зависят от скорости нагружения при повышенных температурах. Для сплава ВТ8М-1 наблюдается повышение величины относительного сужения. Как известно, Р-фаза с ОЦК кристаллической ячейкой является более пластичной и менее жаропрочной по сравнению с а-фазой с ГП ячейкой. Степень ее упрочнения будет определяться уровнем легирования, наибольший вклад в который вносит элемент внедрения - кремний. Это, вероятно, объясняет рост относительного сужения в сплаве ВТ8М-1 - с наибольшим содержанием стабильной Р-фазы при наименьшем ее легировании кремнием.
о», МПа
800
700
600
а)
10
V, мм/мин
5, % 35
25 -
15
б)
10
V, мм/мин
Рис. 4. Механические свойства сплавов ВТ18У (•), ВТ41 (•), ВТ8 (•) и ВТ8М-1 (•) при повышенных температурах в зависимости от скорости перемещения захватов при растяжении (450°С - для (а+Р)-сплавов ВТ8 и ВТ8М-1, 600°С - для псевдо-а-сплавов ВТ18У и ВТ41):
а - предел прочности; б - относительное удлинение; в - относительное сужение
V, %
70-
50
30
10
V, мм/мин
Рассмотрим влияние типа образца на результаты испытаний механических свойств на примере сплава ВТ41. Для испытаний были изготовлены нестандартные образцы из малогабаритной штамповки лопатки и прутка, с меньшим диаметром и расчетной длиной рабочей части.
Результаты испытаний при растяжении при скорости передвижения захватов У=10 мм/ мин приведены в табл. 3.
Таблица 3
Механические свойства нестандартных образцов (при У=10 мм/мин)
Материал
20°
МПа
20° о 0,2
20°
V
,20°
%
600° МПа
;600°
V
,600°
%
Пруток, штамповка лопатки из сплава ВТ41
1050 1065 1045 1025
970 975 975 965
14,5 18,5 11 13,5
40 39 32 36
640 640 690 640
21,5 19,5 17,5 16
71
68 60 59
5
2
6
2
6
2
6
Сравнительные результаты испытаний стандартных и микрообразцов приведены в
табл. 4.
Таблица 4
Механические свойства прутков и штамповок лопаток из сплава ВТ41
Образец 20° 20° о 0,2 5 20° V 20° 600° °в , МПа 2 600° V 600°
М] Па % %
Нестандартный (^=3 мм, 10=8 мм) По ГОСТ (^=5 мм, 10=25 мм) 1045 1015 970 950 14,5 16 37 43 650 650 18,5 28 64 74
По данным табл. 4 видно, что практически все характеристики механических свойств, за исключением кратковременной прочности при 600°С, изменяются в зависимости от вида образца. Как отмечалось ранее, при испытаниях титановых сплавов регламентируют скорость передвижения захватов испытательной машины, которую связывают с расчетной длиной образца. Скорость перемещения захватов (в мм/мин) не должна превышать 0,6 от расчетной длины образца. При скорости 10 мм/мин для стандартного образца этот коэффициент равен 0,4, для нестандартного микрообразца: 1,25. При таких условиях испытания в случае сплава ВТ41 пластическая деформация материала не успевает протекать в полной мере, что приводит к снижению относительного удлинения и сужения в рабочей части образца. Для прутков из сплава ВТ41 было экспериментально установлено, что при снижении скорости передвижения захватов до величины 2 мм/мин значения относительного удлинения и сужения возрастают на 3-8%.
Заключение
С увеличением скорости передвижения захватов с 2 до 10 мм/мин характеристики прочности при комнатной температуре возрастают, а характеристики пластичности -снижаются, причем это более заметно по величине относительного удлинения. С повышением температуры испытаний наиболее чувствительными характеристиками к скорости нагружения являются характеристики пластичности. Чувствительность сплавов к скорости нагружения возрастает с увеличением степени легирования ß-стабилизаторами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Каблов E.H. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7-17.
2. Тарасов Ю.М., Антипов В.В. Новые материалы ВИАМ - для перспективной авиационной техники производства ОАО «ОАК» //Авиационные материалы и технологии. 2012. №2. С. 5-6.
3. Шмотин Ю.Н., Старков Р.Ю., Данилов Д.В., Оспенникова О.Г., Ломберг Б.С. Новые материалы для перспективного двигателя ОАО «НПО "Сатурн"» //Авиационные материалы и технологии. 2012. №2. С. 6-8.
4. Кашапов О.С., Павлова Т.В., Ночовная H.A. Влияние режимов термической обработки на структуру и свойства жаропрочного титанового сплава для лопаток КВД //Авиационные материалы и технологии. 2010. №2. С. 8-14.
5. Ночовная H.A., Панин П.В. Анализ остаточных макронапряжений в сварных соединениях титановых сплавов разных классов //Труды ВИАМ. 2014. №5. Ст. 02 (viam-works.ru).
6. Ерасов B.C., Яковлев Н.О., Нужный Г.А. Квалификационные испытания и исследования прочности авиационных материалов //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С.440-448.
7. Моисеев В.Н. Высокопрочные титановые сплавы для авиакосмической техники /В сб. Авиационные материалы. Избранные труды «ВИАМ» 1932-2002. Юбилейный науч.-технич. сб. /Под общ. ред. E.H. Каблова. 2002. С. 115-121.
8. Каблов E.H. Материалы для изделия «Буран» - инновационные решения формирования шестого технологического уклада //Авиационные материалы и технологии. 2013. №S1. С. 3-9.
9. Кашапов О.С., Новак A.B., Ночовная H.A., Павлова Т.В. Состояние, проблемы и перспективы создания жаропрочных титановых сплавов для деталей ГТД //Труды ВИАМ. 2013. №3. Ст. 02 (viam-works.ru).
10. Хорев А.И., Белов С.П., Глазунов С.Г. Металловедение титана и его сплавов. М.: Металлургия. 1992. 352 с.
11. Способ термической обработки высокопрочных (а+Р)-титановых сплавов: пат. 2465366 Рос. Федерация; опубл. 15.09.2011.
12. Способ термомеханической обработки изделий из титановых сплавов: пат. 2457273 Рос. Федерация; опубл. 05.04.2011.
13. Горынин И.В., Кудрявцев А.С., Ушков С.С. и др. Опыт изготовления слитков массой до 17 тонн из псевдо-альфа сплавов //Титан. 2013. №2. С. 23-28.
14. Горынин И.В., Ушков С.С., Баранов А.В., Михайлов В.И., Ушаков Б.Г. Титановые сплавы для конструкций морского применения //Морские интеллектуальные технологии. 2009. №4. С.61-66.
15. Ilyin A., Kolachev B., Volodin V., Ryndenkov D. About the purposefulness of comprasion of titanium alloys in terms of aluminium and Molybdenium equivalents /In: Titanium-99. Science and technology. 1999. P. 53-60.
