Основные потребители титановых сплавов ‒ авиационная, космическая, ракетная техника, машиностроение. Практически нет ни одной современной конструкции, в которой бы самые ответственные задачи не выполняли титановые сплавы. Титан применяется для изготовления баллонов, емкостей, оболочек, обшивки, шпангоутов, лонжеронов, балок и других деталей и узлов новой техники. Высокая прочность, малая плотность, высокая удельная прочность, широкий температурный интервал применения титановых сплавов позволяют значительно снизить массу конструкций и повысить надежность их работы. Хороший пример легкости и надежности конструкции – бронежилеты из сплава ВТ23. Спортивный инвентарь из этого сплава и других конструкционных титановых сплавов также отличается высокой легкостью и надежностью.

Следует особенно отметить, что применение композиционных материалов при создании большого количества деталей авиационной и ракетно-космической техники невозможно без титановых сплавов (ВТ23, ВТ23М, ВТ43), которые целесообразно применять как закладные элементы композиционных конструкций.

Титановые сплавы также широко применяются в морском судостроении и морской авиации, так как высокая коррозионная стойкость делает их незаменимым материалом для обшивки корпусов. Титан, благодаря своим высоким свойствам, находит применение в химической промышленности, приборостроении, медицине [1‒33].

 Фундаментальные и прикладные работы

В настоящее время разработаны конструкционные и специальные титановые сплавы c различным уровнем прочности. Серийно производятся все виды полуфабрикатов, которые металлургическая промышленность России поставляет на внутренний и в большей мере на внешний рынок. Сегодня можно констатировать, что титановая металлургия России, самая мощная в мире, не утратила своих позиций и готова обеспечить титановыми сплавами все самые современные отечественные разработки конструкторов новой техники. Эта уверенность основана также на проведенных автором результатах исследований по конструкционным и специальным титановым сплавам [1‒33]. Уровень этих разработок, созданные сплавы, технологии изготовления полуфабрикатов и конструкций обеспечивают более высокие значения эксплуатационных характеристик конструкционных и специальных титановых сплавов, чем у зарубежных сплавов.

Ниже представлены основные результаты фундаментальных и прикладных работ по созданию титановых сплавов, по разработке технологических процессов производства различного типа полуфабрикатов и процессов изготовления монолитных, сварных и паяных конструкций из различного типа полуфабрикатов титановых сплавов, опубликованные автором практически за последние 5 лет [1‒33].

В результате проведения автором статьи комплекса фундаментальных и прикладных работ созданы и разработаны:

‒ теория комплексного легирования титановых сплавов;

‒ высокопрочные свариваемые титановые сплавы универсального применения ВТ23, ВТ23Л, ВТ23К, ВТ23М, ВТ43, ВТ19, ВТ19-1;

‒ теория легирования присадочных материалов для сварки титановых сплавов;

‒ присадочные материалы, обеспечивающие высокую прочность сварных соединений;

‒ теория микролегирования, в том числе редкоземельными металлами и предложены сплавы с гадолинием (ВТ38, ВТ23-1, ВТ43-1, ВТ19-1), обладающие повышенной прочностью, жаропрочностью и жаростойкостью;

‒ основы термической обработки конструкционных и специальных титановых сплавов и созданы новые процессы упрочняющей термической обработки;

‒ теория термомеханической обработки титановых сплавов и различные технологические схемы и способы осуществления ТМО;

‒ процессы низкотемпературной и высокотемпературной термомеханических обработок, которые обеспечили повышение конструкционной прочности и трещиностойкости на 20‒30%;

‒ теория текстурного упрочнения реальных конструкций (шаровых баллонов, цилиндрических оболочек и емкостей) из титановых сплавов, работающих в условиях двухосного растяжения;

‒ новые процессы изготовления промышленных полуфабрикатов из титановых сплавов ВТ6С, ВТ14, ВТ23 и других, которые обеспечили получение заданной кристаллографической текстуры и повышение прочности при двухосном растяжении на 20‒40%;

‒ технические условия на серийную поставку продольно-поперечно катаных листов из сплавов ВТ6С, ВТ14, ВТ23 с текстурным упрочнением; впервые текстурное упрочнение реально применено в серийном производстве при создании тормозных дисков из сплава ВТ14, изотропных в плоскости листа и с повышенным сопротивлением деформации по толщине листа; текстурное упрочнение применено при создании шаровых баллонов из сплавов ВТ6, ВТ6с, ВТ23, ВТ5-1, ВТ5-1кт, успешно примененных в различного класса ракетах и космических аппаратах;

‒ теория и перспективные направления создания композиционных материалов на основе титана (ВТ23, ВТ23М, ВТ14, ВТ16, ВТ6, ВТ6ч, ВТ6с) с внешним армированием и достигнута удельная прочность σ_вк/d=48‒50 км (усл. ед.) (с цилиндрической оболочкой из сплава ВТ23);

‒ технология изготовления тонкостенных шаровых баллонов из сплава ВТ23 с внешним армированием высокопрочными волокнами, которые успешно применены при создании последних ступеней ракет, где снижение массы конструкции особенно важно;

‒ теория создания слоистых композиционных материалов на основе титана и достигнута ее практическая реализация при изготовлении малочувствительных к поверхностным дефектам многослойных и плакированных листовых полуфабрикатов (например, листы сплавов ВТ23 и ВТ14, плакированные сплавами ВТ1-0 и ВТ1-00);

‒ технические условия на серийную поставку листов из сплавов ВТ23 и ВТ14, плакированных сплавом ВТ1-0 (трехслойных композиций);

‒ сплавы с заданной макро-, микро-, субструктурой, наноструктурой и кристаллографической текстурой, которые обеспечили заданный уровень механических свойств и эксплуатационных характеристик комплексно легированных сплавов ВТ23, ВТ23Л, ВТ23К (σ_в≥1100 МПа), ВТ23М, ВТ23МЛ, ВТ23МК (σ_в≥1150 МПа) и ВТ43, ВТ43Л, ВТ43К (σ_в≥1250 МПа, σ_в≥1350 МПа) и др.; определены служебные характеристики сплавов ВТ23, ВТ23М, ВТ43, ВТ18У (листы), ВТ38 и др.;

‒ новые прогрессивные технологические процессы производства монолитных и сварных конструкций из сплавов ВТ23, ВТ23М, ВТ43, ВТ38, ВТ18У, ВТ14, ВТ6, ВТ6ч, ВТ6с, ВТ20 и др.;

Применение созданных сплавов и процессов в конструкциях новой техники обеспечит снижение массы конструкции на 20‒30%, повышение их ресурса в 3‒5 раз и эксплуатационной надежности на 25‒35%, снижение стоимости конструкции на 15‒20%.

В последних работах представлены теоретические и практические рекомендации, направленные на эффективное применение титановых сплавов в летательных аппаратах нового поколения. В этих работах наряду с механическими характеристиками большой внимание обращено на экономические показатели (стоимость сплавов, коэффициент использования металлов, энергоемкость, трудоемкость и др.), что очень важно для широкого применения титановых сплавов в перспективных конструкциях [1‒31].

Титановые сплавы ВТ23, ВТ23М, а также (α+β)-сплав ВТ43 последней разработки будут главными конструкционными сплавами с высокой и сверхвысокой прочностью, которые предназначенны для высокотемпературного применения в перспективных конструкциях авиационной, ракетной и космической техники в ближайшие 15 и более лет. Из этих (α+β)-сплавов (универсального применения) изготовляют все виды полуфабрикатов. Это позволяет повысить коэффициент использования металла при изготовлении вместо монолитных конструкций сварных с применением различных типов полуфабрикатов (например, листов и штамповок). Современные отечественные (α+β)-сплавы свариваются всеми видами сварки, из них изготовляют монолитные, сварные и паяные конструкции. По сравнению с высокопрочными зарубежными b-сплавами, отечественные (α+β)-сплавы ВТ23, ВТ23М и ВТ43 содержат меньшее количество дорогостоящих и дефицитных легирующих элементов, обладают более высоким комплексом механических и эксплуатационных характеристик основного материала и особенно сварных соединений, а также повышенными характеристиками трещиностойкости. У этих сплавов температура полиморфного превращения составляет 900‒920°С, поэтому при охлаждении формируется достаточно большой размер полиэдров α-фазы, способных максимально изменять направление трещины и приводить к ее ветвлению. Для достижения высоких характеристик трещиностойкости у (α+β)-сплавов необходимо после β-деформаций проводить окончательную деформацию в (α+β)-области со степенью не более 25‒40%, чтобы, достигнув прерывистости и извилистости границ первичных β-зерен, только незначительно уменьшить размер α-частиц внутри зерна и сохранить их способность изменять направление развития трещин и их ветвление [1‒33].

У известных зарубежных β-сплавов температура полиморфного превращения на 60‒150°С ниже, чем у отечественных (α+β)-сплавов ВТ23, ВТ23М, ВТ43, поэтому при низкой температуре образуются фазовые составляющие значительно меньшей величины. Такие мелкодисперсные составляющие не способны изменять направление развития трещины и ее ветвление. Это приводит к уменьшению энергии разрушения и снижению характеристик трещиностойкости β-сплавов.

Изготовление современных сварных термически упрочненных конструкций из β-сплавов титана практически невозможно (сварной шов после термического упрочнения малопластичен), поэтому сварные конструкции на самолетах фирмы «Боинг» не применяются. Необходимо в термически упрочняемых конструкциях из β-сплавов предусмотреть утолщения в зоне шва, компенсирующие снижение прочности при отжиге шва. Однако утолщения в зоне швов увеличивают массу, а для большинства ответственных конструкций авиационной, ракетной и космической техники создание утолщений практически невозможно.

Получение высоких значений характеристик трещиностойкости является главнейшей задачей. Автором установлено, что метастабильное структурно-фазовое состояние, особенно в (α+β)-сплавах с механически нестабильными фазами, повышает важнейшие эксплуатационные характеристики, например характеристики трещиностойкости. Это происходит в результате распада механически нестабильных фаз при экстремальных нагрузках, что сопровождается релаксацией напряжений в вершине развивающейся трещины. Этим в значительной мере объясняются большие значения характеристик трещиностойкости в сплавах, например в (α+β)-сплаве ВТ23, после проведения высокотемпературной термомеханической обработки (ВТМО) [1‒33]. Поэтому работы, направленные на создание специальных режимов термической и термомеханической обработок, обеспечивающих получение регламентированных нестабильных состояний в сплавах, являются перспективными и весьма актуальными. Наряду с повышением эксплуатационных характеристик, можно в 2‒3 раза уменьшить расход электроэнергии и трудоемкость термической обработки. Все режимы термической обработки устанавливались для создания стабильных состояний. Если уменьшить продолжительность выдержки при температуре отжига и закалки в 2‒3 раза, то можно создать неравновесное состояние и уменьшить расход электроэнергии.

Автором проведен следующий эксперимент – наряду с ВТМО и старением, закалкой и старением (упрочняющая термическая обработка ‒ УТО) – была проведена следующая обработка: ВТМО, закалка с выдержкой при температуре закалки в 3 раза меньшей, чем указано в инструкции по термообработке, старение (предварительная термомеханическая обработка ‒ ПТМО). Уровень механических свойств после проведения ПТМО значительно выше, чем после УТО, но несколько ниже, чем после ВТМО. Проведенный эксперимент является хорошим примером, показывающим возможность сокращения продолжительности выдержки при температуре закалки [1‒33].

В результате исследований показано, что при формировании макро-, микро- и наноструктур роль комплексного легирования и микролегирования (в том числе РЗМ) высока и эффективна. Сочетание комплексного легирования сплава ВТ23 (ВТ23М, ВТ43) с ТМО обеспечивает создание наноразмерных структурных составляющих при низкотемпературном старении (370‒420°С) и получение предела прочности s_в=2100 МПа ‒ для сплава ВТ23 и s_в=2300 МПа ‒ для сплава ВТ43. Больший эффект образования наноразмерных фазовых составляющих наблюдается на тонколистовом материале и тонколистовом материале, подвергнутом деформации в условиях сверхвысокой пластичности и имеющем более дисперсную исходную структуру

Комплексное легирование и микролегирование эффективно на различных стадиях технологического процесса ‒ от выплавки слитка до создания конструкций.

Значимая роль наноструктур в комплексно легированных сплавах проявляется не только в тех случаях, когда наноструктуры являются главной составляющей конечного продукта, но и когда они формируются на промежуточных стадиях технологического процесса и оказывают большое влияние на конечный результат. Сплав в наноструктурном состоянии может быть не достаточно работоспособным в реальных конструкциях ракетно-космической, авиационной и других областях техники. Так, сплавы в наноструктурном состоянии, обладая высокими значениями традиционных характеристик прочности и пластичности, могут иметь пониженные значения характеристик трещиностойкости, которые определяют надежность работы конструкций:

‒ критического коэффициента интенсивности напряжения при плоской деформации (KCU);

‒ скорости роста трещины усталости (СРТУ);

‒ ударной вязкости образцов с исходной усталостной трещиной (KСТ);

‒ вязкости образцов с усталостной трещиной при статическом изгибе.

Наноразмерные структуры в титановых сплавах могут формироваться на промежуточных стадиях технологических процессов в виде:

‒ единичных дислокаций (например, при ВТМО);

‒ дефектов кристаллического строения;

‒ кластеров;

‒ выделений α′-, α′′-, α-, β-фаз при закалке и ВТМО;

‒ частиц в виде твердорастворных высокодисперсных α-фаз, интерметаллидных фаз, образованных на начальных стадиях низкотемпературного старения, особенно при старении в процессе проведения НТМО.

Все эти наноразмерные структуры, имея малый размер, могут оказаться не способными изменить направление развития трещин, их ветвление, что сопровождается уменьшением энергии, затрачиваемой на разрушение, а следовательно, уменьшением значений характеристик трещиностойкости. Это надо учитывать при рекомендации титановых сплавов с наноструктурой для конструкций.

Наноразмерные структуры (субструктуры) являются плодом техники высокой разрешающей способности и их в титановых сплавах всегда рассматривали как промежуточные структуры. Они могут положительно влиять на преобразование структуры в процессе завершающих стадий технологических процессов, повышая уровень эксплуатационных характеристик, в том числе характеристик трещиностойкости.

Роль комплексного легирования и микролегирования в формировании наноструктур может быть большой с учетом их способности создавать однородное структурно-фазовое состояние в титановых сплавах. Для формирования наноструктур необходимо однородное исходное структурно-фазовое состояние, на что и направлены проводимые автором работы по комплексному легированию, микролегированию, термической и термомеханической обработке [1‒33].

 Основные направления повышения стабильности механических свойств

Одна из важнейших проблем современного металловедения – повышение уровня и стабильности механических свойств титановых сплавов, что особенно актуально на современном этапе, когда применение  дорогостоящих титановых сплавов должно быть особенно эффективным [1‒33]. При расчете конструкций по нижнему уровню прочности сплава большое превышение заданного расчетного уровня прочности приводит к снижению эксплуатационных характеристик полуфабриката с уровнем прочности на верхнем пределе. Для решения важнейшей задачи повышения стабильности механических свойств титановых сплавов и конструкций из них необходим всесторонний подход к рассматриваемой проблеме, включающий [1‒33]:

‒ создание на основе разработанной теории комплексного легирования современных титановых сплавов универсального применения (одна только универсальность применения сплава обеспечивает большой экономический, технологический и конструктивный эффект);

‒ разработку прогрессивных технологических процессов изготовления полуфабрикатов на основе предложенной концепции многостадийной термомеханической обработки;

‒ создание на основе предложенных теорий термической и термомеханической обработок эффективных режимов термической (ТО) и термомеханической обработок (ТМО), обеспечивающих улучшение и совершенствование макро-, микро- и субструктуры (при особой положительной роли наноразмерных единичных, однородно распределенных, дислокаций и нанокластеров в виде объединений нескольких атомов однородных или разнородных элементов);

‒ формирование при обработке сплавов давлением заданной кристаллографической текстуры, которая обеспечит повышение механических свойств в направлении действия максимальных нагрузок в конструкции;

‒ разработку термомеханических параметров изготовления листов с требуемой текстурой и технических условий на их серийную поставку;

‒ создание современных конструкций с рациональным применением всех видов и типов  полуфабрикатов из универсального сплава;

‒ уменьшение диапазона легирования (например в сплаве ВТ23М) ‒ это реализованное при изготовлении на ВСМПО плит, поковок и листов рациональное решение: вместо дополнительного легирования, применяемого обычно для повышения гарантированного уровня прочности, использован эффект уменьшения диапазона и дисперсии легирования. В этом случае автором были применены все разработки, использованные при создании сплава предыдущего состава, что ускорило процесс освоения производства полуфабрикатов и конструкций из нового улучшенного состава сплава. Такой подход является привлекательным для инновационных проектов [1‒33].

Применение титановых сплавов и процессов

Автором статьи разработаны: 127 титановых сплавов (в том числе 25 промышленных, 7 опытно-промышленных сплавов, 7 композиционных материалов на основе титана); 250 прогрессивных технологических процессов производства всех типов полуфабрикатов и технологий изготовления монолитных, сварных и паяных конструкций, которые защищены 377 патентами и авторскими свидетельствами (более 220 из них применены при создании конструкций, 74 вошло в состав лицензий на изготовление конструкций за рубежом).

Результаты фундаментальных и прикладных работ (за последние 57 лет автором опубликовано 70 статей и патентов), материалы конференций ‒ например Международных «Ti-2005‒2011 гг», проведенных во ФГУП «ВИАМ» (на которых представлено и опубликовано 17 работ автора) и на авиасалонах (в том числе «МАКС-2011»), показывают, что позиции титановых сплавов (как перспективных конструкционных и специальных сплавов) будут укрепляться с каждым годом. Этому в значительной степени будут способствовать проводимые в рамках научной школы «Реальное металловедение и эффективное применение титановых сплавов» фундаментальные и прикладные работы.

Предыдущий этап работы по конструкционным титановым сплавам был отмечен награждением 17.12.2004 г. премией Правительства Российской Федерации (руководитель работ – профессор, доктор технических наук А.И. Хорев). Приведенные в данной статье фундаментальные и прикладные работы автор предполагает представить на соискание премии, подводящей итог научной и практической деятельности, отраженный в опубликованных статьях и патентах последних 5 лет.

Представленные научные и практические разработки открывают дальнейшую перспективу применения титановых сплавов в авиационной, ракетной и космической технике.

Разработанные автором перспективные титановые сплавы и прогрессивные технологические процессы применены более чем в 100 изделиях авиационной, ракетной, космической и другой технике, в том числе и в новейших летательных аппаратах:

‒ маневренном самолете 5-го поколения Т50, при создании которого использовались 7 титановых сплавов, в том числе новейший высокопрочный комплексно легированный (α+β)-титановый сплав (масса деталей из которого составляет 87% от массы всех деталей, изготовленных из титановых сплавов), и 20 технологических процессов;

‒ гражданском самолете «Сухой‒Super Jet 100»;

‒ конструкциях «Тополь М» и «Булава»;

‒ системе ГЛОНАСС с масштабным использованием космических спутников.

Перспективные направления развития фундаментальных и прикладных работ по конструкционным и специальным титановым сплавам высокой прочности:

‒ дальнейшее развитие теории комплексного легирования в направлении усложнения макро- и микролегирующих комплексов;

‒ развитие теории многофакторного механизма упрочнения при доминирующем влиянии в этом механизме твердорастворного и дисперсионного упрочнения и ограниченном влиянии интерметаллидного упрочнения (соединениями титана с хромом, железом, медью, никелем, алюминием, снижающими характеристики трещиностойкости и пластичности);

‒ создание сплавов с предельным упрочнением α- и β-твердых растворов и многофазовым упрочнением, в том числе при наличии фаз переменного химического состава;

‒ разработка новых методов упрочняющей термической обработки с высокоскоростной и градиентной закалкой перед старением;

‒ создание новых процессов ТМО и термопластической обработки и изготовление полуфабрикатов с заданной макро-, микро- и наноструктурой, кристаллографической текстурой и заданными механическими свойствами и характеристиками разрушения;

‒ создание титановых сплавов повышенной прочности, жаропрочности и жаростойкости и пониженной окисляемости при термической обработке (ВТ23-1, ВТ23М-1, ВТ43-1, ВТ19-2 и др.), легированных редкоземельным модифицирующим элементом гадолинием;

‒ создание метастабильных состояний, обеспечивающих повышение эксплуатационных характеристик сплавов, путем разработки специальных режимов термической и термомеханической обработок, уменьшающих одновременно в 2‒3 раза расход электроэнергии (в том числе за счет уменьшения продолжительности выдержки при отжиге, закалке и старении);

‒ создание слоистых композиционных материалов (КМ) с удельной прочностью 55 км (усл. ед.), что эквивалентно σ_в=2500 МПа, с матрицей из наноструктуированных плакированных листов сплава ВТ1-0, экономнолегированных (α+β)-титановых сплавов типа ВТ43 и ВТ43-1 с s_в≥1600 МПа стоимостью на 20‒30% меньше, чем у β-сплавов, при большей на 25% прочностью;

‒ создание слоистых КМ с прослойкой из алюминия (толщиной 5‒10 мкм) между плакировкой из сплава ВТ1-00 и высокопрочными нитями, что обеспечит диффузионный барьер и исключит образование хрупкого слоя, а также высокие эксплуатационный свойства такого материала;

‒ разработка комплекснолегированных восьми- и более компонентных систем (α+β)-сплавов и процессов создания наноструктуированных при НТМО цилиндрических оболочек с конструкционной прочностью при двухосном растяжении s_вк=1700 МПа, а также создание КМ с внешним армированием и удельной прочностью 65 км (усл. ед.), что эквивалентно s_в=2900 МПа (для титана).

Перспективные направления фундаментальных и прикладных работ по конструкционным и специальным листовым титановым сплавам высокотемпературного применения:

‒ развитие теории многофакторного механизма упрочнения с одновременным использованием твердорастворного, дисперсионного, интерметаллидного (соединение двух металлов) упрочнения и упрочнения химическими соединениями (металла с неметаллами);

‒ предельное легирование α-твердого раствора;

‒ регламентированное распределение интерметаллидных фаз (α₂) и химических соединений (силицидов и др.) путем микролегирования и  комплексного микролегирования;

‒ создание сплавов высокой жаропрочности и жаростойкости, легированных гадолинием (типа сплава ВТ38) и другими редкоземельными металлами и их комплексами;

‒ разработка термомеханических параметров изготовления слябов с предельным сокращением продолжительности высокотемпературных нагревов, применением всесторонней деформации и фазовой перекристаллизации, а также разработка технологических параметров изготовления листов с включением продольно-поперечной прокатки, что будет способствовать в совокупности более дисперсному распределению интерметаллидных фаз и силицидов в листах и повышению  их технологической пластичности при листовой штамповке;

‒ развитие теоретических основ и решение практических задач при создании композиционных материалов и конструкций с матрицей из листов сплавов высокотемпературного применения.

Выводы

1. Проведен комплекс фундаментальных и прикладных работ, направленных на создание титановых сплавов, технологий их металлургического производства и технологий изготовления деталей авиационной, ракетной и космической техники на машиностроительных заводах, результаты которых опубликованы автором статьи в 2006‒2011 гг.

2. Разработаны теории: комплексного легирования; микролегирования; термической и термомеханической обработок; текстурного упрочнения; создания композиционных материалов с внешним и внутренним армированием высокопрочными нитями; создания многослойных и плакированных материалов.

3. Разработана техническая документация на производство и применение титановых сплавов и проведено промышленное изготовление полуфабрикатов и изделий авиационной, ракетной и космической техники высокой стабильности и надежности.

4. Результаты научной и практической работы по комплексному легированию и микролегированию, термической, термомеханической обработке и текстурному упрочнению, обеспечили создание автором статьи 127 различных титановых сплавов простых и сложных систем легирования, защищенных патентами и авторскими свидетельствами, 25 из которых стали промышленными и 7 опытно-промышленными, 7 композиционных материалов на основе титана. Эти сплавы и 250 технологических процессов производства полуфабрикатов и изготовления изделий успешно применены более чем в 100 изделиях космической, ракетной, авиационной и другой техники и создают хорошую перспективу для широкого применения их в изделиях нового поколения, в конструкциях, работающих при температурах от -196 до +600°С.

По титановым сплавам автором статьи опубликованы:

‒ 4 монографии [30‒33], две из которых «Комплексное легирование и термомеханическая обработка титановых сплавов» и «Современные методы повышения конструкционной прочности титановых сплавов» утверждены Министерством авиационной промышленности СССР в качестве учебных пособий для отраслевой системы обучения научных и инженерных кадров, в том числе для научной школы «Реальное металловедение и эффективное применение титановых сплавов» [30‒31];

‒ более 250 статей, большая часть в журналах (утвержденных ВАК РФ для соискателей ученых степеней), которые переводятся на английский язык и распространяются во всем мире [1‒36].