Введение

Изделия авиационной техники, эксплуатирующиеся в условиях морского базирования, наряду с высокими силовыми нагрузками подвержены агрессивному климатическому воздействию. В этой связи вопросы повышения ресурса и надежности авиационной техники определяют актуальность и практическую значимость испытаний и исследований поведения двухфазных титановых сплавов в коррозионно-активных средах с целью определения механизма и кинетики развития разрушений [2–5].

Присутствие механических концентраторов напряжений и дефектов поверхности деталей и элементов конструкций в сочетании с воздействием агрессивной среды может способствовать развитию замедленного разрушения (коррозионному растрескиванию) двухфазных титановых сплавов при действующих напряжениях ниже расчетных. В условиях коррозионного растрескивания двухфазных титановых сплавов величина коэффициента интенсивности напряжений при замедленном разрушении K_Iз.р в вершине движущейся трещины может быть значительно меньше параметра K_Iс, соответствующего условиям перехода трещины в закритическую стадию развития (долом) в условиях испытаний в воздушной среде [6–10].

Результаты исследований механизма и кинетики развития коррозионных трещин в двухфазных титановых сплавах [8, 10–12] являются основой оптимизации химического состава, структуры и технологии производства изделий авиационного назначения [13–15].

Материалы и методы исследований

Для исследований механизма и кинетики развития коррозионных трещин в двухфазных титановых сплавах изготовлены образцы из сплавов ВТ3-1, ВТ8, ВТ9, ВТ18У и ВТ22. Химический состав сплавов приведен в табл. 1.

Таблица 1

Химический состав двухфазных титановых сплавов

Фрактографические и микроструктурные исследования проводили методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) на электронном микроскопе JSM6490-LV фирмы Jeol.

Рис. 1. Эскиз образца для испытаний на трехточечный изгиб по ГОСТ 25.506 с боковой усталостной трещиной

Испытания проводили на образцах размером 12×24×120 мм с боковой усталостной трещиной (рис. 1) на сервогидравлической испытательной машине LFV-100кН производства фирмы Walter+bai ag по ГОСТ 25.506. Нагружение производили по схеме трехточечного изгиба в воздушной атмосфере, в воде Черного моря, в нейтральных, щелочных и кислых коррозионно-активных средах.

Результаты исследований

На рис. 2 представлена микроструктура исследуемых материалов. Сплавы ВТ3-1, ВТ8 и ВТ9 представлены глобулярной структурой. Микроструктура сплавов ВТ18 и ВТ22 пластинчатая.

Рис. 2. Микроструктура двухфазных титановых сплавов ВТ3-1 (а) ВТ8 (б), ВТ9 (в),
ВТ18У (г) и ВТ22 (д)

Испытания двухфазных титановых сплавов ВТ3-1, ВТ8, ВТ9, ВТ18У и ВТ22 при растяжении в воздушной атмосфере и в воде Черного моря проводили с различными скоростями нагружения. Результаты испытаний показали различную склонность двухфазных титановых сплавов к коррозионному растрескиванию в морской воде (табл. 2).

Таблица 2

Свойства двухфазных титановых сплавов в морской воде и воздушной атмосфере

* При малоцикловой усталости для условия: частота F=0,05 Гц; R_σ=0,1.

Фрактографические исследования методом РЭМ позволили выявить в изломах всех образцов титановых сплавов, испытанных в морской воде, зоны разрушения по механизму квазискола (рис. 3, а, в, д, ж, к), не характерному для статического разрушения этих сплавов в воздушной атмосфере (рис. 3, б, г, е, и, л).

Наряду с испытаниями с постоянной скоростью нагружения проводили испытания при постоянном значении K_Iз.р. По результатам испытаний образцов титановых сплавов при постоянном значении коэффициента интенсивности напряжений K_Iз.р выявлена зависимость скорости роста статической коррозионной трещины (V_з.р) от величины коэффициента интенсивности напряжений (КИН) – K_Iз.р (табл. 3).

Таблица 3

Результаты определения скорости роста трещины V_з.р в образцах титанового

сплава ВТ3-1 в морской воде при различных значениях КИН в вершине трещины (K_Iз.р)

Полученный результат свидетельствует о том, что механизм коррозионного растрескивания двухфазных титановых сплавов контролируется по развитию диффузионных процессов в вершине трещины, имеющих свои кинетические параметры.

Наиболее высокой подвижностью в титане обладает водород, диффузия которого фиксируется при комнатной температуре. Различие в механизмах и кинетике замедленного статического разрушения двухфазных титановых сплавов в воздушной атмосфере и морской воде свидетельствует о том, что основным источником водорода, участвующим в замедленном разрушении, является не растворенный в сплаве водород, а водород, адсорбированный ювенильными поверхностями растущей трещины из коррозионно-активной среды.

Рис. 3. Строение изломов образцов двухфазных титановых сплавов ВТ3-1 (а, б); ВТ8 (в, г); ВТ9 (д, е); ВТ18У (ж, з) и ВТ22 (и, к) после однократных статических испытаний в воде Черного моря (а, в, д, ж, и) и в воздушной атмосфере (б, г, е, з, к)

В работе [6] показано, что фактором, способствующим наводороживанию титановых сплавов, являются растягивающие напряжения, формирующие диффузионный поток водорода в зону вершины растущей трещины.

По результатам испытаний образцов двухфазных титановых сплавов построены кинетические модели в виде полинома

V_з.р=A+B·K_Iз.р-C(K_Iз.р)²,

где A, B, C – коэффициенты полинома.

Определение порогового значения коэффициента интенсивности напряжений  производится путем решения квадратного уравнения относительно K_Iз.р при равенстве нулю значений V_з.р:

A·+C=-A.

Установлено, что пороговое значение коэффициента интенсивности напряжений  с большой точностью соответствует величине K_Iз.р, полученной при минимальной скорости нагружения образцов в морской воде V=2·10^-4мм/мин (табл. 2).

На образцах исследуемых титановых сплавов проводили испытания при циклическом нагружении в воде Черного моря при коэффициенте асимметрии цикла нагружения R_σ=0,1 с различной частотой нагружения F и различными значениями ΔK_I.

По результатам экспериментальных данных построены кинетические модели малоциклового усталостного разрушения титановых сплавов в морской воде при заданной величине коэффициента асимметрии цикла нагружения R_σ в виде полинома

=A+B·ΔK_I+C·F+D·+E·F²+GΔK_IF,

где A, B, C, D, E, G – коэффициенты полинома;  – скорость роста трещины малоцикловой усталости в коррозионно-активной среде.

Кинетическая модель малоциклового усталостного разрушения двухфазного титанового сплава ВТ3-1 в морской воде при величине коэффициента асимметрии цикла нагружения R_σ=0,1 представляет собой полином первого порядка:

=3,25+1,6·ΔK_I-175·F.

Определение пороговых значений двухфазных титановых сплавов для фиксированных значений коэффициента асимметрии цикла нагружения R_σ и частоты нагружения F осуществляли посредством решения уравнения относительно параметра ΔK_I при условии  =0.

Испытания образцов при циклическом нагружении показали, что для двухфазных титановых сплавов ВТ3-1, ВТ8, ВТ9, ВТ18У и ВТ22 пороговая величина КИН  для условий циклического нагружения при частоте F=0,5 Гц и R_σ=0 в морской воде значительно ниже величины порогового значения КИН (K_Iз.р) для условий статического развития коррозионной трещины в морской воде (табл. 2).

Фрактографические исследования изломов двухфазных титановых сплавов ВТ3-1, ВТ8, ВТ9, ВТ18У и ВТ22 в зоне развития усталостной трещины в коррозионно-активной среде позволили установить, что рельеф поверхности трещин при МЦУ в условиях воздействия морской воды идентичен рельефу статического разрушения этих сплавов в морской воде (рис. 4) и представлен фасетками квазискола.

Рис. 4. Строение изломов образцов двухфазных титановых сплавов ВТ3-1 (а), ВТ8 (б),
ВТ9 (в), ВТ18У (г) и ВТ22 (д) после усталостных испытаний в воде Черного моря

Для выявления химических элементов коррозионно-активной среды, как определяющих механизм замедленного разрушения двухфазных титановых сплавов, так и лимитирующих скорость коррозионного растрескивания, выполнены эксперименты по замедленному разрушению образцов титанового сплава ВТ22 в различных коррозионно-активных средах, включая нейтральную, кислую и щелочную среду, при скорости деформации образцов с усталостной трещиной, равной 0,0002 мм/мин.

В качестве коррозионно-активных сред использовали:

– воду Черного моря;

– нейтральный 3%-ный водный раствор NaCl;

– нейтральный 4,38%-ный водный раствор хлористой меди CuCl₂∙2H₂O, который по концентрации ионов Cl^- эквивалентен 3%-ному водному раствору NaCl;

– кислый 1,87%-ный водный раствор HCl, который по концентрации ионов Cl^- эквивалентен 3%-ному водному раствору NaCl;

– щелочной 2%-ный водный раствор NaOH, который по концентрации ионов Na⁺ эквивалентен 3%-ному водному раствору NaCl.

Результаты испытаний по определению статической трещиностойкости сплава ВТ22 в зависимости от среды испытания представлены в табл. 4.

Таблица 4

Величина статической трещиностойкости сплава ВТ22 в зависимости от скорости

нагружения образца с нанесенной усталостной трещиной и среды испытания

В результате выполненных исследований по влиянию состава коррозионно-активной среды на статическую трещиностойкость и механизм замедленного разрушения сплава ВТ22 установлено, что воздействие синтезированной морской воды (3%-ный водный раствор NaCl) приводит к снижению величины статической трещиностойкости сплава ВТ22 (как и воды Черного моря), не изменяя при этом механизм замедленного разрушения.

Замена в растворе катионов натрия на катионы меди, обладающие меньшей диффузионной подвижностью, приводит к меньшему снижению величины статической трещиностойкости сплава ВТ22, не изменяя при этом хрупкий механизм замедленного разрушения.

Замена в растворе катионов натрия на катионы водорода, обладающие большей диффузионной подвижностью в титане, также приводит к меньшему снижению величины статической трещиностойкости сплава ВТ22, не изменяя при этом хрупкий механизм замедленного разрушения.

Замена в растворе анионов хлора на гидроксильную группу OH^- не приводит к снижению величины статической трещиностойкости сплава ВТ22 в сравнении с его трещиностойкостью в воздушной среде, а также к развитию хрупкого механизма замедленного разрушения (табл. 4).

Обсуждение и заключения

Для двухфазных титановых сплавов ВТ3-1, ВТ8, ВТ9, ВТ18У и ВТ22 определены пороговые значения коэффициентов интенсивности напряжений для условий статического развития коррозионной трещины в морской воде  и условий циклического развития коррозионной трещины в морской воде  при частоте нагружения F=0,05 Гц и коэффициенте асимметрии цикла нагружения R_σ=0,1.

В результате фрактографических исследований методом растровой электронной микроскопии установлено, что механизм разрушения двухфазных титановых сплавов ВТ3-1, ВТ8, ВТ9, ВТ18У и ВТ22 в условиях воздействия морской воды одинаков для статического и малоциклового усталостного разрушения.

На примере сплава ВТ22 показано, что хлорсодержащие нейтральные (NaCl, CuCl₂∙2H₂O) и кислотные (HCl) растворы приводят к снижению величины статической трещиностойкости сплава, не изменяя при этом хрупкого механизма замедленного разрушения. Испытания в щелочной среде, где ион Cl^- заменили на гидроксильную группу OH^-, не приводят к снижению величины статической трещиностойкости сплава.

Установлено, что наиболее сильное снижение статической трещиностойкости (K_Iз.р) двухфазных титановых сплавов происходит в условиях воздействия морской воды и синтетической морской воды, при этом снижение характеристики трещиностойкости обратно пропорционально скорости нагружения образцов.

Благодарности

Авторы благодарят А.В. Лаврова за проведение механических испытаний.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках Соглашения о предоставлении субсидии №14.595.21.0002 от 22.08.2014 г., уникальный идентификатор №RFMEFI59514X0002, с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания ФГУП «ВИАМ»», а также при поддержке гранта РФФИ по проекту НК 13-08-001125/13.