CC BY
57
УДК 669.018.44:669.295
Т.В. Павлова1, О.С. Кашапов1, АР. Кондратьева1, 5.С. Калашников1
ВОЗМОЖНОСТИ ПО РАСШИРЕНИЮ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СПЛАВА ВТ8-1 ДЛЯ ДИСКОВ И РАБОЧИХ КОЛЕС КОМПРЕССОРА
DOI: 10.18577/2307-6046-2016-0-3-5-5
Приведены основные факторы, позволяющие расширить область применения сплава ВТ8-1 для роторных деталей ГТД - дисков и рабочих колес вентилятора, компрессоров низкого и высокого давления. Приведены сравнительные характеристики механических свойств (кратковременной прочности, пластичности, вязкости разрушения, СРТУ) штамповок дисков из сплавов ВТ8-1 и ВТ6 применительно к крупногабаритным штамповкам дисков для вентилятора и первой ступени КПД, а также дисков КВД из сплавов ВТ8-1 и ВТ9 (характеристики кратковременной прочности, вязкости разрушения, СРТУ, жаропрочности) применительно к деталям с рабочей температурой до 500°С.
Ключевые слова: жаропрочные титановые сплавы, механические свойства, структура, диски компрессора.
The article describes main factors allowing to extend the application area for VT8-1 alloy in GTE parts for rotary - fan drives and compressors of high and low pressure. Comparative characteristics of the mechanical properties (strength, ductility, toughness, FCGR) of disks die forgings of VT8-1 and VT6 alloys with respect to large-sized forgings drives for the fan and first stage of low pressure compressors , as well as drives of the HPC of VT8-1 and VT9 alloys (characteristics of strength, fracture toughness, FCGR, heat resistance) applicable for parts with working temperature up to 500°C are presented.
Keywords: heat-resistance titanium alloys, mechanical properties, structure, compressor disks.
Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal state unitary enterprise «Ail-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation] E-mail: [email protected]
Введение
Номенклатура титановых сплавов, применяемых в отечественной промышленности для дисков газотурбинных двигателей, представлена восемью марками титановых сплавов с рабочей температурой до 350-600°С. При этом для дисков первой ступени компрессора (вентилятора) и компрессора низкого давления в ГТД 3-4 поколения применяются сплавы трех марок - ВТЗ-1, ВТ6, ВТ8, для модификаций серийных и при разработке новых ГТД рекомендуется применять сплавы ВТ6 и ВТ8-1. Для рабочих температур свыше 450 до 500°С ранее применялись сплавы ВТ8, ВТ9 и ВТ25, в настоящее время рекомендуется их замена на сплав ВТ25У в интервале температур 500-550°С. В последнее время проведены работы по совершенствованию технологии изготовления полуфабрикатов из сплава ВТ8-1 - модификации сплава ВТ8 с аналогичной областью применения [1]. Проведенные исследования показали, что, с одной стороны, сплав ВТ8-1 обладает более высокой технологичностью в металлургическом производстве (на операциях горячей деформации), более высокими характеристиками прочности и трещиностойкости по сравнению со сплавом ВТ6 при изготовлении крупногабаритных штамповок (поковок) для дисков вентилятора, а с другой - обеспечивает более высокие характеристики жаропрочности при температуре 500°С в сравнении со штамповками дисков из сплава ВТ9. Это позволяет рассмотреть возможность унификации роторов
компрессора по применяемым титановым сплавам, обеспечить более высокие удельные характеристики изделия и снизить его себестоимость. Для обоснования сказанного далее приведены сравнительные характеристики сплавов ВТ8-1, ВТ6 и ВТ9 в интервале рабочих температур.
Материалы и методы
Механические свойства определяли на промышленных штамповках и поковках дисков, изготовленных в условиях ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» в соответствии с требованиями ОСТ1 90197 «Поковки дисков и валов кованые и штампованные из титановых сплавов. Общие технические требования».
Гарантированные значения прочностных характеристик при комнатной температуре в соответствии с техническими условиями на поставку полуфабрикатов приведены в табл. 1.
Таблица 1
Гарантированные значения прочностных характеристик при комнатной температуре
Сплав
Масса поковки, кг ств, МПа 5 V кси кст
% Дж/см2
До 50 980 10 25 35 13
Свыше 100 до 200 960 9 25 35 13
Свыше 200 до 500 940 8 22 35 13
До 100 930 10 25 40 15
Свыше 100 до 200 900 9 25 40 15
До 50 1030 8 22 30 8
ВТ8-1
ВТ6 ВТ9
Результаты и обсуждение
Для сравнительной оценки прочностных характеристик крупногабаритных штамповок дисков из сплавов ВТ6 и ВТ8-1 приведем диапазон изменения значений (табл. 2).
Таблица 2
Прочностные характеристики крупногабаритных штамповок дисков
из сплавов ВТ6 и ВТ8-1
Сплав Полуфабрикат (состояние) ств, МПа 5 кси КС!
% Дж/см2
ВТ8-1 Поковка штампованная массой —480 кг с максимальным сечением ~300 мм (отожженное) 995-1030 14,5-19,5 25-40 43-53 15-19,5
ВТ6 Поковки, штамповки дисков вентилятора и 1 ступени КНД массой до 100 кг (отожженное) 935-1045 10-17,5 28,5-52,5 41-62 17-38
Поковка штампованная массой 317 кг с максимальным сечением 145 мм (охлаждение в во-де+отжиг) 960-1060 13-16,5 26-49,5 41-50 20-23,5
Видно, что при изготовлении крупногабаритных штамповок дисков из сплава ВТ6 прочностные характеристики материала имеют значительную дисперсию, причем в центральных зонах штамповок прочность материала может снижаться на 90-100 МПа независимо от режима термической обработки. На более крупной штамповке диска вентилятора из сплава ВТ8-1 в отожженном состоянии обеспечиваются стабильно
высокие характеристики прочности, пластичности, ударной вязкости при сохранении достаточно высоких значений удельной работы разрушения образцов с трещиной.
Сравнительные характеристики усталостной прочности и трещиностойкости штамповок дисков из сплавов ВТ6 и ВТ8-1 приведены в табл. 3 и 4.
Таблица 3
Характеристики усталостной прочности штамповок дисков из сплавов ВТ6 и ВТ8-1
Материал МЦУ: стах, МПа (при №104 цикл), МнЦУ: стах, МПа (при N=2-10' цикл),
штамповки образцов образцов
диска гладких с надрезом (а„=3,35) гладких с надрезом (0^=2,33)
ВТ8-1 1000 490 480-500* 220
ВТ6 900 450 480 220
* При термической обработке по скорректированному режиму отжига [5].
Материал штамповок дисков из сплава ВТ8-1 обладает большей малоцикловой усталостью по сравнению со сплавом ВТ6, что объясняется большей прочностью сплава ВТ8-1.
Таблица 4
Характеристики трещиностойкости штамповок дисков (отожженное состояние)
из сплавов ВТ6 и ВТ8-1
Материал штамповки диска К1с, МПал/м (радиальное/тангенциальное направление вырезки образца) СРТУ: ШМЫ, мм/цикл, при размахе коэффициента интенсивности напряжения ДК, МПал/м
21 31 41
ВТ8-1 ВТ6 85/98 77/93 0,17-10-6 0,15-10-6 0,46-10-6 0,82-10-6 2,4-10-6
Жаропрочный титановый сплав ВТ8-1 по сравнению со сплавом ВТ6 обладает высоким уровнем вязкости разрушения и трещиностойкостью, а также обеспечивает стабильный рост трещины при больших значениях размаха коэффициента интенсивности напряжений.
Типичная микроструктура штамповок дисков из сплавов ВТ6 и ВТ8-1 приведена на рис. 1 и 2.
Для деформированных полуфабрикатов из сплава ВТ6 характерной является микроструктура с более крупными выделениями первичной и вторичной а-фазы. После закалки в воде сплава ВТ6 удается зафиксировать минимальное количество первичной а-фазы при максимальной дисперсности пластин вторичной а-фазы (рис. 1, а), однако в центральной зоне крупных штамповок дисков эффект от быстрого охлаждения в воде значительно снижается (рис. 1, б), что приводит к различию механических свойств в периферийных и центральных зонах. Для крупногабаритных штамповок дисков из сплава ВТ8-1 при охлаждении на воздухе морфология выделения а-фазы в зависимости от толщины сечения также может существенно изменятся (рис. 2). Однако даже при неблагоприятной структуре материала (рис. 2, в) прочностные характеристики и ударная вязкость при комнатной температуре остаются на высоком уровне (ав=1010 МПа, 5=16%, у=32%, КСи=41 Дж/см2, КСТ=20 Дж/см2).
Влияние толщины сечения на скорость охлаждения штамповок дисков из титановых сплавов подробно описано специалистами компании Snecma в работе [2]
(рис. 3). Измерения фактических скоростей охлаждения штамповки с максимальной толщиной сечения 80 мм из титанового сплава ВТ8 при охлаждении на воздухе в условиях ВИАМ показали практически идентичные результаты.
Рис. 1. Микроструктура штамповок дисков из сплава ВТ6 (крупная штамповка после охлаждения в воде с последующим отжигом):
а - периферийная зона; б - центральная зона; в - типичная структура после отжига с охлаждением на воздухе
Рис. 2. Микроструктура крупных штамповок дисков из сплава ВТ8-1 после отжига при температурах первой ступени отжига Тии -(20-30)°С, охлаждение на воздухе:
а, б - типичная на периферии и в центральной зоне; в - нетипичная в центральной зоне после отжига штамповки при температуре 77ПП-40°С на первой ступени (штамповки дисков КНД и КВД); г - типичная для штамповки диска КНД; д - типичная для штамповки рабочего колеса при температуре отжига ГП П-25°С
Рис. 3. Изменение фактической скорости охлаждения жаропрочных титановых сплавов в зависимости от величины сечения [2]
Для получения регламентированной глобулярно-пластинчатой структуры в крупных полуфабрикатах из сплава ВТ8-1 целесообразно проводить предварительную механическую обработку для получения минимальной толщины сечения под термическую обработку, высокотемпературный отжиг при температурах не менее ГП.П-30°С с последующим охлаждением под вентилятором.
Приведенные сравнительные характеристики механических свойств материала штамповок дисков из сплавов ВТ8-1 и ВТ6 показывают, что сплав ВТ8-1 в отожженном состоянии обеспечивает стабильно высокие значения прочностных и усталостных характеристик при больших сечениях штамповок, высокую вязкость разрушения и тре-щиностойкость, что позволяет рекомендовать его для замены других серийных сплавов, включая сплав ВТ6 [3].
Рассмотрим возможности применения сплава ВТ8-1 (взамен сплава ВТ9) для дисков КВД с рабочей температурой до 500°С. Отметим, что к основным достоинствам сплава ВТ9 можно отнести более высокий уровень кратковременной прочности и многоцикловой усталости при комнатной температуре испытаний, при этом характеристики трещиностойкости у сплава ВТ9 существенно ниже, чем у сплавов ВТ6, ВТ8 и др. На рис. 4 приведены зависимости изменения характеристик механических свойств при растяжении от температуры испытаний, на рис. 5 и 6 - характеристики длительной прочности и ползучести.
Видно, что кратковременная прочность сплава ВТ9 до температуры 450°С включительно выше кратковременной прочности сплава ВТ8-1 на -20-40 МПа при более высоких характеристиках пластичности во всем интервале температур испытаний. При температуре 500° С прочность сплавов одинакова, а при температуре испытания 550°С прочность сплава ВТ8-1 несколько выше прочности сплава ВТ9. Кроме того, по всем жаропрочным характеристикам при температурах 450 и 500°С сплав ВТ8-1 также имеет преимущество перед сплавом ВТ9.
Рис. 4. Условный предел текучести (а), предел прочности (б), относительные удлинение (в) и сужение (г) материала штамповок дисков из сплавов ВТ8-1 и ВТ9 (средние значения) в зависимости от температуры испытаний
а) ( б)
<г500, МПа
Рис. 5. Длительная прочность за 100 (а) и 500 ч (б) материала штамповок дисков из сплавов ВТ8-1 и ВТ9 в зависимости от температуры испытаний
СТ*0,2/100. МПа
Рис. 6. Сопротивление ползучести за 100 ч при остаточной деформации 0,2% материала штамповок дисков из сплавов ВТ8-1 и ВТ9 в зависимости от температуры испытаний
Характеристики ударной вязкости, трещиностойкости и вязкости разрушения материала штамповок дисков из сплавов ВТ8-1 и ВТ9 приведены в табл. 5.
Таблица 5
Механические характеристики штамповок диска (отожженное состояние)
из сплавов ВТ9 и ВТ8-1
Материал кси кст к1с, МПал/м (радиальное/тангенциальное направление вырезки образца) СРТУ: ШМН мм/цикл
штамповки диска Дж/см2 (при ДК=31 МПа-Ум)
ВТ8-1 52 22 85/98 0,46-10-6
ВТ9 41 12 58/71 2,8-10-6
Сплав ВТ8-1 обладает значительно большими характеристиками ударной вязкости и трещиностойкости по сравнению со сплавом ВТ9. Кроме того, существует возможность повышения минимальных прочностных характеристик на штамповках дисков из сплава ВТ8-1 за счет оптимизации технологии термомеханической и термической обработки при сохранении высоких показателей трещиностойкости. В качестве примера можно привести опытные работы по изготовлению штамповок рабочих колес типа «блиск» из сплава ВТ8-1 [4]. Подобные возможности обеспечиваются как композицией самого сплава, так и получением регламентированной глобулярно-пластинчатой структуры в материале. По сравнению с жаропрочными сплавами ВТЗ-1, ВТ8, ВТ9, сплав ВТ8-1 содержит меньшее количество легирующих элементов (алюминий, кремний), снижающих вязкость материала. Повышению прочностных характеристик способствуют небольшие добавки таких элементов, как нейтральные упрочнители (олово и цирконий), которые повышают уровень твердорастворного упрочнения а- и Р-фаз. Необходимо отметить, что работы по совершенствованию промышленных титановых сплавов зачастую носят прикладной и фундаментальный характер, так как при проведении исследований фазового и химического состава фаз более подробно исследуются процессы фазовых превращений в многокомпонентных системах [5-15]. Так, для сплава ВТ8-1 получены предварительные данные, позволяющие качественно и количественно описать величину упрочнения различных а-твердых растворов первичной и вторичной а-фазы, а также а-оторочки условного Р-зерна в глобулярно-пластинчатой структуре [4]. Получение новых данных по качественному и количественному описа-
нию структуры материала позволит прогнозировать его свойства, проводить оптимизацию химического состава, а также разрабатывать новые композиции сплавов с улучшенными характеристиками.
Заключение
Работы по совершенствованию технологии изготовления промышленных штамповок дисков из сплава ВТ8-1, проводимые во ФГУП «ВИАМ» и ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА», позволили раскрыть потенциал сплава, одновременно повышая прочностные и жаропрочные свойства, а также выносливость и длительную прочность, при сохранении максимальных характеристик вязкости и трещиностойкости, что особенно важно для новых высокоресурсных двигателей V поколения.
ЛИТЕРАТУРА
1. 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: электрон. науч. технич. журн. 2013. №3. Ст. 02. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 27.07.2015).
2. Barussad A., Desvalles Y., Guedou J.Y. Control of the microstructure in large titanium discs. Application to the high pressure compressor of the GE90 aeroengine / In: Titanium-95: Science and Technology. UK. The institute of Materials. 1996. P. 1599-1608.
3. Кривцов B.C., Павленко B.H., Волков И.В. Оценка влияния ряда факторов на сопротивление усталости титановых сплавов // Проблемы машиностроения. 2011. Т.14. № 6. С. 37-41.
4. Истракова А.Р., Кашапов О.С., Калашников B.C. Исследование влияния режимов отжига на структуру и фазовый состав штамповок моноколес из сплава ВТ8-1 // Вестник МАИ. 2015. №2. С. 142-151.
5. Способ термической обработки высокопрочных (а+Р)-титановых сплавов: пат. 2465366 Рос. Федерация; опубл. 15.09.11.
6. Способ термомеханической обработки изделий из титановых сплавов: пат. 2457273 Рос. Федерация; опубл. 05.04.11.
7. Хорев А.И. Теоретические и практические основы повышения конструкционной прочности современных титановых сплавов // Технология легких сплавов. 2007. №2. С. 144-153.
8. Хорев А.И. Разработка конструкционных титановых сплавов для изготовления деталей и узлов авиакосмической техники // Сварочное производство. 2009. №3. С. 13-23.
9. Каблов E.H. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3-33.
10. Каблов E.H. Шестой технологический уклад // Наука и жизнь. 2010. №4. С. 2-7.
11. Каблов E.H., Оспенникова О.Г., Вершков A.B. Редкие металлы и редкоземельные элементы -материалы современных и будущих высоких технологий // Труды ВИАМ электрон. науч. технич. журн. 2013. №2. Ст. 01. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 27.07.2015).
12. Каблов E.H. Материалы для изделия «Буран» - инновационные решения формирования шестого технологического уклада // Авиационные материалы и технологии. 2013. №S1. С. 3-9.
13. Хорев А.И., Белов С.П., Глазунов С.Г. Металловедение титана и его сплавов. М.: Металлургия, 1992. 352 с.
14. Малышева С.П., Мурзинова М.А., Жеребцов C.B., Салищев Г.А. Механические свойства ультрамелкозернистого титанового сплава ВТ6 // Перспективные материалы. 2011. №12. С. 316-320.
15. Попов A.A., Демаков С.Л., Попова М.А., Россина Н.Г., Елкина O.A. Выделение частиц силицидов в жаропрочных титановых сплавах // Титан. 2013. №1 (39). С. 4-13.
