Научная статья на тему 'Возможности по расширению области применения сплава ВТ8-1 для дисков и рабочих колес компрессора'

Возможности по расширению области применения сплава ВТ8-1 для дисков и рабочих колес компрессора Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
286
58
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Труды ВИАМ
ВАК
RSCI
Ключевые слова
ЖАРОПРОЧНЫЕ ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ / HEAT-RESISTANCE TITANIUM ALLOYS / МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА / MECHANICAL PROPERTIES / СТРУКТУРА / STRUCTURE / ДИСКИ КОМПРЕССОРА / COMPRESSOR DISKS

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Павлова Т.В., Кашапов О.С., Кондратьева А.Р., Калашников В.С.

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 КНД, 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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Павлова Т.В., Кашапов О.С., Кондратьева А.Р., Калашников В.С.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Opportunities to expand the VT8-1 alloy application for disks and compressor rotor wheels

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°С are presented.

Текст научной работы на тему «Возможности по расширению области применения сплава ВТ8-1 для дисков и рабочих колес компрессора»

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: admin@viam.ru

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.

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

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.