Введение

Во ФГУП «ВИАМ» разработана широкая номенклатура титановых сплавов, в том числе высокопрочных, для применения в авиа- и ракетостроении [1]. Высокопрочные титановые сплавы, такие как ВТ6ч., ВТ23, ВТ14, ВТ16 и ВТ22 [2, 3], успешно используются для изготовления элементов конструкции планера и шасси военных и гражданских самолетов. Комплекс механических свойств высокопрочных титановых сплавов делает перспективным их применение не только в авиации и ракетостроении, но и в других областях техники [4, 5], в которых могут применяться технологии авиационного назначения [6].

Сплав ВТ23 – (α+β)-сплав мартенситного класса системы Ti–Al–Mo–V–Cr–Fe [7], предназначен для изготовления силовых деталей, а также сварных и паяных конструкций авиационной, космической и ракетной техники: лонжеронов, шпангоутов, балок, гидроцилиндров, обшивок, закладных элементов композиционных конструкций, деталей шасси, емкостей, баллонов высокого давления. Отличительной чертой высокопрочного сплава ВТ23 является возможность изготовления из него всех видов полуфабрикатов. Во ФГУП «ВИАМ» разработана модификация сплава ВТ23 – сплав ВТ23М, обладающий суженным диапазоном легирования, за счет чего обеспечивается повышение гарантированного уровня свойств.

Сплав ВТ43 является перспективным сплавом системы Ti–Al–Mo–V–Cr–Fe–Zr–Nb–Cu. Химический состав сплава, разработанный на основе теории комплексного легирования, отличается от состава сплава ВТ23 дополнительным легированием Zr, Nb и Cu [8, 9]. Дополнительное легирование сплава ниобием обеспечивает повышение однородности распределения β-стабилизаторов в различных зонах, что способствует получению стабильного уровня механических свойств. Цирконий выполняет функцию модификатора и раскислителя приграничных объемов сплава, а также эффективного упрочнителя α- и β-твердых растворов.

Необходимо отметить, что система легирования сплавов ВТ23М и ВТ43 разработана с учетом элементной базы, доступной на территории Российской Федерации. Так, в широко применяемом в зарубежном авиастроении сплаве IMI 310 (состав
Ti–10V–2Fe–3Al) в 2 раза больше ванадия, что значительно увеличивает его стоимость.

В настоящее время большой потенциал имеет промышленное освоение территорий, обладающих значительными запасами полезных ископаемых, находящихся в климатических поясах, которым свойственен арктический климат [10, 11]. Климат данных территорий предъявляет особые требования к надежности применяемых технических средств. Принципиальным условием выбора материала является его способность сохранять свои рабочие характеристики при пониженных температурах, а также сопротивляться коррозии, в том числе в контакте с другими конструкционными материалами. Высокими значениями удельных прочностных характеристик [12, 13] и сопротивлением коррозии во всеклиматических условиях обладают высокопрочные титановые сплавы.

В современных образцах техники все более широкое применение находят композиционные материалы на полимерной основе [14–16]. Их применение позволяет значительно снизить массу конструкции и обеспечить требуемую прочность и надежность. Существует конструктивная проблема выполнения соединений элементов, изготовленных из углепластика, с элементами, выполненными из алюминиевых сплавов и сталей. Прямые коррозионные испытания и исследование электрохимических свойств сталей, алюминиевых и магниевых сплавов показали их уязвимость в контакте с углепластиками, в то время как титановые сплавы считаются наиболее устойчивыми к коррозии в контакте с углепластиком [17]. Указанное свойство титановых сплавов делает возможной разработку слоистых композиционных материалов на основе листов высокопрочных титановых сплавов и препрегов углепластиков. Неметаллические композиционные материалы обладают более высокими значениями удельных прочностных характеристик в сравнении с металлическими сплавами, применяемыми в конструкции летательных аппаратов, но хуже сопротивляются развитию трещин. Совместить в себе преимущества двух классов материалов призваны гибридные слоистые материалы.

В данной статье представлено исследование свойств высокопрочных титановых сплавов ВТ23М и ВТ43 применительно к условиям арктического климата. Особенностью данного исследования является то, что исследуемые полуфабрикаты прошли одинаковый цикл изготовления, что упрощает их сравнительный анализ. Работа выполнена в рамках реализации комплексной научной проблемы 12.4. «Титановые сплавы, совместимые с углепластиком» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [18].

Материалы и методы

Для проведения исследований из сплавов ВТ23М и ВТ43 изготовлены полуфабрикаты – прутки и листы. Весь технологический цикл изготовления полуфабрикатов выполнен во ФГУП «ВИАМ». Первоначально проводили подготовку шихтовых материалов, включающую размельчение лигатур ВнАл, АМТ, АНК; стружку алюминиевых, циркониевых, медных и железных заготовок. Подготовили порционные навески для прессования расходуемых электродов. Для выплавки одного слитка изготавливали по два прессованных электрода массой 12,5 кг. Выплавку слитков производили методом двойного вакуумно-дугового переплава в печи ALD VAR L200. Всего было изготовлено четыре слитка, по два каждого сплава, общей массой 100 кг. Печь ALD VAR L200 и итоговый вид слитка представлены на рис. 1.

Рис. 1. Вакуумно-дуговая печь ALD VAR L200 (а) и слиток после двукратного переплава и обточки (б)

После обточки слитков проведен анализ химического состава каждого слитка атомно-эмиссионным методом в трех зонах (низ, середина, верх). Результаты испытаний приведены в табл. 1 и 2.

Таблица 1

Химический состав слитков из сплава ВТ43

Таблица 2

Химический состав слитков из сплава ВТ23М

Показано, что химические составы соответствуют интервалам, указанным в паспортах на исследуемые сплавы.

Следующим этапом изготовления деформируемых полуфабрикатов являлась ковка слитков на сутунки (рис. 2) по технологии, включающей чередование нагрева и деформации при температуре β-области с нагревом и деформацией в (α+β)-области. Последний этап ковки осуществляли в (α+β)-области.

Рис. 2. Сутунки после ковки (а), после резки и обточки (б)

Прутки из сутунок сплавов ВТ23М и ВТ43 получены посредством всесторонней ковки и обточки для доведения до требуемого диаметра. Из полученных прутков вырезали заготовки под образцы, на которых проведена упрочняющая термическая обработка по режиму: нагрев до температуры Т_п.п-100°С; выдержка; закалка в воде; нагрев до температуры Т_п.п-400°С; выдержка; охлаждение на воздухе.

Прокатку сутунок из сплавов ВТ23М и ВТ43 для получения листов толщиной 2,5–3 мм проводили по следующей технологии:

– нагрев в печи до температуры Т_п.п+60°С, выдержка;

– горячая прокатка на толщину 10±1 мм;

– нагрев листов в печи при температуре Т_п.п-100°С, выдержка;

– горячая прокатка на толщину 2,5–3 мм;

– термическая обработка;

– пескоструйная обработка;

– кислотно-щелочное травление;

– травление в щелочах – NaOH и NaO₃;

– травление в кислотах – HF и HNO₃.

Отметим, что листы из сплава ВТ43 впервые получены при выполнении данной работы.

После прокатки листов до толщины 2,5–3 мм проведена термическая обработка – отжиг по режиму: нагрев до температуры Т_п.п-200°С, выдержка, охлаждение с печью. Из полученных листов вырезали заготовки в соответствии с разработанной схемой раскроя, затем изготавливали образцы для проведения испытаний. Изготовленные полуфабрикаты представлены на рис. 3.

Рис. 3. Прутки ø60 мм (а) и листы (б) после прокатки до толщины 10 мм из сплавов ВТ23М и ВТ43

Основная цель проводимых испытаний – получение значений механических характеристик полуфабрикатов исследуемых сплавов, а также выявлении деградации их свойств в условиях арктического климата путем проведения механических испытаний на образцах, прошедших ускоренные климатические испытания.

Испытания на растяжение образцов из титановых сплавов ВТ23М и ВТ43 проводили по ГОСТ 1497, на растяжение при пониженных температурах – по ГОСТ 11150 на испытательной машине Zwick/Roell Z400; испытания на ударный изгиб образцов из титановых сплавов – по ГОСТ 9454. Ускоренные климатические испытания проводили в соответствии со следующими стандартами: ГОСТ 9.308, ГОСТ 9.707, ГОСТ 28.209.

Результаты и обсуждение

На подготовленных шлифах проводили исследование микроструктуры полученных полуфабрикатов.

Как видно из приведенных на рис. 4 изображений, структура полученных полуфабрикатов является типичной для деформируемых полуфабрикатов сплавов (α+β)-класса. При этом следует отметить, что средний размер структурных составляющих полуфабрикатов из сплава ВТ43 мельче, чем у полуфабрикатов из сплава ВТ23М. В будущем целесообразно проведение микрорентгеноспектрального анализа для выявления закономерностей распределения легирующих элементов в зернах материала.

Рис. 4. Микроструктура образцов из сплавов ВТ23М и ВТ43:

а, б – пруток; в, г – лист (продольное направление прокатки); д, е – лист (поперечное направление прокатки)

Испытания на растяжение для определения механических свойств образцов листов и прутков из сплавов ВТ23М и ВТ43 проводили при комнатной (20°С) и пониженной (-60°С) температурах. Результаты испытаний листов представлены в табл. 3 и 4, прутков – в табл. 5 и 6. Поскольку листы из сплава ВТ43 впервые получены при выполнении данной работы, с целью оценки анизотропии механических свойств, испытания на растяжение при температуре 20°С проводили в продольном и поперечном направлениях горячей прокатки.

Таблица 3

Результаты испытаний на растяжение титановых листов из сплавов ВТ23М и ВТ43

при комнатной температуре

Таблица 4

Результаты испытаний на растяжение титановых листов

(продольное направление прокатки)

из сплавов ВТ23М и ВТ43 при температуре -60°С

Из приведенных в табл. 3 и 4 значений видно, что при одинаковых режимах изготовления листов из исследуемых сплавов сплав ВТ43 обладает на 9,6% большей прочностью при почти равном относительном удлинении. Сравнение проводили для продольного направления вырезки образцов. При пониженной температуре наблюдается увеличение прочности листов из сплава ВТ23М на 6% и снижение пластичности на 30%. На листах из сплава ВТ43 прочность возрастает на 6%, при этом пластичность снижается на 25%. Прочность листов из сплава ВТ43 в поперечном направлении на 4% выше, чем в продольном направлении прокатки; пластичность в продольном направлении выше на 22%.

Таблица 5

Результаты испытаний на растяжение прутков из титановых сплавов ВТ23М и ВТ43

при комнатной температуре

Таблица 6

Результаты испытаний на растяжение прутков из титановых сплавов ВТ23М и ВТ43

при температуре -60°С

Из результатов, представленных в табл. 5 и 6, видно, что для образцов из сплава ВТ23М, вырезанных из изготовленных прутков и прошедших упрочняющую термическую обработку, увеличение прочности при температуре -60°С составляет 7%, пластичность снижается на 50% по сравнению с образцами, испытанными при комнатной температуре. Для сплава ВТ43 увеличение прочности составляет 6%, снижение пластичности 38%. По результатам испытаний можно заключить, что образцы из отожженных листов меньше подвержены падению пластичности при отрицательных температурах, чем образцы, вырезанные из прутка и подвергнутые упрочняющей термической обработке.

В табл. 7 и 8 представлены результаты испытаний по определению ударной вязкости образцов исследуемых сплавов при комнатной и пониженной температурах.

Таблица 7

Результаты испытаний на определение ударной вязкости

при комнатной температуре образцов из титановых сплавов ВТ23М и ВТ43

Таблица 8

Результаты испытаний на определение ударной вязкости

при температуре -60°C образцов из титановых сплавов ВТ23М и ВТ43

Из представленных в табл. 7 и 8 значений видно, что наблюдается снижение значений ударной вязкости при испытаниях в условиях пониженной температуры, но при этом оно не является значительным и не превышает 15%.

Одним из основных требований, предъявляемых к материалам, рекомендуемым для использования в конструкции технических средств, эксплуатирующихся в условиях Арктики, является их коррозионная стойкость в условиях морского климата и отсутствие деградации механических свойств. В данной работе проводили испытания образцов из титановых сплавов на общую коррозионную стойкость в течение 3 мес в камере солевого тумана (КСТ). Условия испытаний следующие: солевой туман из 5%-ного раствора NaCl, температура 35°C, влажность φ=98% – при периодическом распылении. По агрессивности среды условия испытаний соответствуют условиям морского климата. С целью проведения сравнительного анализа свойств материала до и после выдержки в условиях КСТ, в камеру помещали образцы, подготовленные для проведения испытаний на растяжение и ударную вязкость.

Оптико-визуальные исследования состояния поверхности испытанных образцов из титановых сплавов проводили с помощью стереоскопического микроскопа. За время испытаний коррозионных повреждений образцов не выявлено. Проведенные после испытаний на коррозионную стойкость испытания на растяжение и ударную вязкость показали, что снижения значений механических свойств образцов из сплавов ВТ23М и ВТ43 не наблюдается.

С целью подтверждения коррозионной стойкости титановых сплавов ВТ23М и ВТ43 в условиях арктического климата при наличии контакта с углепластиком проведены следующие климатические испытания – выдержка при отрицательной температуре с периодическим увлажнением в течение 21 сут с циклом по схеме: при температуре -20°С и влажности 90% в течение 22 ч + при температуре -50°С в течение 2 ч. Испытаниям подвергали девять листовых образцов из сплавов ВТ23М и ВТ43. Образцы укладывали в специальное приспособление послойно (рис. 5, а), чередуя со слоями углепластика. Плиты приспособления выполнены из титанового сплава ВТ1-0, вся конструкция скреплена стальными болтами для обеспечения плотного контакта между титаном и углепластиком. После проведения испытаний следов коррозии на титановых образцах не обнаружено, при этом стальные болты корродировали значительно (рис. 5, б). Испытания на растяжение, проведенные после климатических испытаний, показали, что свойства титановых сплавов остались на прежнем уровне.

Рис. 5. Образцы из сплавов ВТ23М и ВТ43, послойно уложенные с углепластиком, в исходном состоянии (а) и после проведения климатических испытаний (б)

Заключения

По результатам выполненной работы показано, что титановые сплавы ВТ23М и ВТ43 обладают высокими значениями прочностных характеристик, а также высокой стойкостью к климатическим воздействиям, присущим арктическому климату. Свойства сплавов не ухудшаются после климатических испытаний, и они не склонны к существенному снижению значений ударной вязкости при пониженных температурах (табл. 8). Однако сравнение значений ударной вязкости образцов из сплавов ВТ23М и ВТ43 показывает значительное превосходство первого сплава. Необходимо также отметить, что выбранные для исследованных полуфабрикатов одинаковые режимы термической обработки могут не являться оптимальными для сплава ВТ43.

Сплав ВТ23М положительно зарекомендовал себя при применении в конструкции самолетов – увеличение его применения позволит повысить весовую эффективность элементов конструкции. Сплав ВТ43 создан на основе теории комплексного легирования и демонстрирует возможность получения высоких значений механических свойств полуфабрикатов.

В дальнейшем необходимо проведение дополнительных исследований, направленных на определение оптимальных технологических параметров изготовления полуфабрикатов из сплава ВТ43 и режимов их термической обработки. Эффективным может являться также применение листов из сплава ВТ43 для изготовления слоистых титанополимерных материалов. Однако в этом случае необходимо проведение комплекса работ по разработке технологии получения тонких листов (толщиной ~0,5 мм) из сплава ВТ43.

Сочетание значений механических характеристик, системы легирования и высокой технологичности делает сплавы ВТ23М и ВТ43 экономически выгодными для изготовления элементов конструкции как образцов авиационной техники, так и других видов транспортных средств.