Введение

Вследствие постоянного повышения требований к характеристикам современных изделий авиационной техники существенно возрастают и требования к уровню свойств материалов, используемых в качестве крепежных изделий для соединения элементов конструкций [1–6]. Увеличение объема применения композиционных материалов в конструкции планера самолета создает предпосылки к повышению использования крепежных изделий, изготовленных из титановых сплавов. Это связано с тем, что в контакте с углепластиком коррозия не развивается только на нержавеющих сталях и титановых сплавах [7]. При этом титановые сплавы имеют плотность меньше, чем у сталей, и при условии достижения равных значений прочностных характеристик их применение позволит повысить весовую эффективность конструкции. Сплав (α + β)-класса ВТ16, традиционно используемый для изготовления таких деталей крепления, как болты, винты и др., имеет следующий уровень прочностных характеристик: предел прочности τ_ср ≥ 700 МПа и сопротивление срезу σ_в ≥ 1040 МПа (термически упрочненное состояние). Повысить значения характеристик прочности крепежных изделий можно за счет применения титановых сплавов, химический состав которых позволяет обеспечить более высокий уровень механических свойств в термически упрочненном состоянии [8–14].

Однако следует отметить, что особенностью сплава ВТ16 является то, что его химический состав позволяет из отожженного прутка, имеющего предел прочности ~850 МПа, в холодном состоянии без промежуточных отжигов осуществлять высадку головки болта, редуцирование стержня, а также шлифование и накатывание резьбы. Такая технология производства деталей в 2–3 раза экономичнее классической технологии горячей высадки головки и редуцирования стержня болта. Применение псевдо-β-титановых сплавов позволит повысить прочность крепежных изделий и при этом иметь возможность их изготовления путем холодной высадки. Перспективность данного подхода подтверждается зарубежным опытом, где для изготовления крепежа используют псевдо-β-сплав Timetal 21S (Ti–3Al–15Mo–2,7Nb–0,25Si), обладающий характеристиками прочности следующего уровня: τ_ср ≥ 800 МПа и σ_в ≥ 1300 МПа [4, 15–25].

Применение для изготовления крепежных изделий перспективного отечественного псевдо-β-титанового сплава ВТ47 (Ti–Al–Mo–V–Cr–Fe–Sn–Zr–Y), разработанного в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ», содержащего в системе легирования редкоземельный элемент иттрий (Y), с высокой технологической пластичностью, необходимой для использования холодной высадки, способствует достижению требуемого уровня прочностных характеристик, что, в свою очередь, повышает весовую эффективность конструкции современных изделий авиационной техники [19–21, 26].

С целью обеспечения необходимого уровня свойств выбраны режимы термической обработки и схема изготовления крепежных изделий из псевдо-β-титанового сплава ВТ47, а также проведены их испытания и сравнительный анализ свойств с титановым сплавом ВТ16 – аналогом по применению.

Материалы и методы

Для изготовления крепежных изделий (болтов), в том числе типа Hi-Lok (соединения с тарированной затяжкой), и проведения исследований использованы прутки диаметром 6,5 и 10,5 мм производства АО «Чепецкий механический завод», г. Глазов (рис. 1). Прутки получены по разработанной технологии изготовления прутков из псевдо-β-титанового сплава ВТ47 в соответствии с ТУ 430–2021. Данная технология обеспечивает получение прутков, которые в отожженном состоянии имеют значения пластических характеристик, обеспечивающие уровень технологической пластичности при деформации, достаточный для изготовления крепежных изделий холодной высадкой.

Рис. 1. Внешний вид прутков из псевдо-β-титанового сплава ВТ47 производства АО «Чепецкий механический завод» (г. Глазов)

Изготовленные прутки обладают следующим уровнем механических свойств:

для прутков диаметром 6,5 мм

– в отожженном состоянии относительное удлинение δ ≥ 23 %, относительное сужение ψ ≥ 56 %, остаточная деформация при осадке ≥70 %;

– в термически упрочненном состоянии σ_в ≥ 1232 МПа, τ_ср ≥ 808 МПа, δ ≥ 9 %, ψ ≥ 26 %;

для прутков диаметром 10,5 мм

– в отожженном состоянии δ ≥ 17 %, ψ ≥ 53 %, остаточная деформация при осадке ≥70 %;

– в термически упрочненном состоянии σ_в ≥ 1265 МПа, τ_ср ≥ 803 МПа, δ ≥ 9 %, ψ ≥ 28 %.

Изготовление болтов происходило в промышленных условиях АО «Нормаль» (г. Нижний Новгород) по следующей схеме:

– резка прутков на заготовки под высадку болта;

– нанесение на заготовку технологического покрытия (бор-фторидного). Данная операция включает предварительное травление, нанесение технологического покрытия и омыливание;

– холодная штамповка – основное формообразование болта (высадка головки болта, высадка стержневой части);

– механическая обработка (снятие фаски, проточка головки и т. д.);

– старение в вакуумной печи с целью обеспечения требуемых характеристик изделия;

– обкатка радиуса под головкой, накатка резьбы;

– прошивка шестигранника (для болтов типа Hi-Lok).

Изготовлены три типа болтов из сплава ВТ47, в том числе типа Hi-Lok (рис. 2).

Рис. 2. Внешний вид болтов из псевдо-β-титанового сплава ВТ47, изготовленных в промышленных условиях АО «Нормаль» с плоско-скругленной головкой и короткой резьбовой частью типа Hi-Lok М10 (а), с уменьшенной шестигранной головкой для соединений со специальной переходной посадкой М6 (б) и с потайной головкой с углом 120 градусов типа Hi-Lok М6 (в)

Исследование микроструктуры выполняли на оптическом микроскопе Olympus GX51.

Определение фазового состава проводили при помощи дифрактометра Bruker D8 ADVANCE (Германия). Параметры съемки: Cu K_α-излучение; фокус трубки 0,5´3 мм; напряжение 40 кВ; ток в трубке 40 мА.

Испытания на растяжение (σ_в) образцов прутков из титанового сплава ВТ47 осуществляли при температуре 20 °С на испытательной машине Zwick/Roell Z 400 по ГОСТ 1497–84, а испытания на срез (τ_ср) – на испытательной машине Zwick/Roell Z 250 в соответствии с ОСТ 1 90148–74.

Испытания на разрыв и на срез болтов из титанового сплава ВТ47 проводили при температуре 20 °С на испытательной машине Zwick/Roell HA 250 по ОСТ 1 31101–80, на статическую чувствительность к надрезу – по ОСТ 1 90052–72, а на мало-, многоцикловую усталость и усталостную прочность – по ГОСТ 25.502–79.

Результаты и обсуждение

При проведении исследований выбран режим термической обработки (где Т_п.п – температура полиморфного превращения) прутков в камерной печи Nabertherm [27]: отжиг при температуре (Т_п.п – 30) °С, выдержка, охлаждение на воздухе + старение, выдержка, охлаждение на воздухе.

Данный режим термической обработки выбран как обеспечивающий достижение наилучших значений механических свойств материала прутков. При этом в отожженном состоянии (состояние поставки прутков) сплав обладает высоким уровнем технологической пластичности.

Результаты исследований микроструктуры прутков из сплава ВТ47 в исходном состоянии и после упрочняющей термообработки по указанному режиму представлены на рис. 3.

Рис. 3. Микроструктура (×200) прутков из псевдо-β-титанового сплава ВТ47 в исходном
состоянии (а) и после упрочняющей термической обработки (б)

Микроструктура образцов в термоупрочненном состоянии представлена исходными β-зернами с мелкодисперсными выделениями частиц вторичной α-фазы высокой однородности внутри β-зерна, что обеспечивает повышенный уровень прочностных характеристик.

Результаты испытаний на определение механических свойств при растяжении и сопротивлении срезу прутков из сплавов ВТ47 и ВТ16 после упрочняющей термообработки приведены в табл. 1.

Таблица 1

Механические свойства при растяжении и сопротивление срезу прутков

из сплавов ВТ47 и ВТ16 при температуре 20 °С

Анализ представленных результатов показывает, что прутки из сплава ВТ47 после упрочняющей термической обработки имеют высокие показатели механических свойств и превосходят по ним прутки из сплава ВТ16.

Повышенные значения прочности при термической обработке с отжигом в высокотемпературной (α + β)-области, по-видимому, обусловлено наличием после выдержки и охлаждения первичной α-фазы, а также сохранением дефектов кристаллического строения.

Исследование фазового состава образцов из прутков сплава ВТ47 проводили на дифрактометре фирмы Bruker. На рис. 4 представлена дифрактограмма образцов в закаленном (отжиг из (α + β)-области) и термически упрочненном состояниях (отжиг из (α + β)-области + старение).

Рис. 4. Дифрактограмма материала образцов-свидетелей болта из псевдо-β-титанового сплава в исходном (1 – отжиг из (α + β)-области) и термически упрочненном состояниях (2 – отжиг из (α + β)-области + старение)

На дифрактограмме образца в исходном состоянии (отжиг) присутствует линия β-фазы [14], однако отсутствуют линии α-фазы, что характерно для псевдо-β-титановых сплавов в закаленном состоянии. Это свидетельствует о наличии незначительного количества α-фазы в образцах после закалки при температурах, приближенных к Т_п.п. На дифрактограмме образца в термически упрочненном состоянии (отжиг + старение) присутствуют линии α- и β-фаз, при этом линии дифрактограмм β-фазы образцов в исходном и термически упрочненном состояниях практически совпадают. Присутствие линий α-фазы свидетельствует о том, что в результате старения образуется типичная гетерофазная структура пластинчатого типа: происходит распад метастабильного пересыщенного твердого раствора β-фазы с выделением частиц вторичной α-фазы пластинчатой морфологии, что обеспечивает более высокий уровень прочностных характеристик. Кроме того, несмотря на малое количество первичной α-фазы, ее вклад в повышение равномерности распада метастабильной β-фазы значителен, о чем можно судить по ранее проведенным исследованиям механических свойств.

Прутки из сплава ВТ47, предназначенные для изготовления крепежных изделий, поставлялись после отжига в высокотемпературной (α + β)-области. Отличительной особенностью процесса упрочняющей термической обработки крепежных изделий, в сравнении с упрочняющей термической обработкой прутков, является проведение холодной деформации материала путем высадки, после которой осуществляется завершающая термическая обработка. Фактически реализуется схема низкотемпературной термомеханической обработки (НТМО).

Результаты исследований микроструктуры болтов (центральная зона) из сплава ВТ47 представлены на рис. 5.

Рис. 5. Микроструктура (×500) крепежных изделий (болтов) из псевдо-β-титанового сплава ВТ47 в центральной зоне с уменьшенной шестигранной головкой для соединений со специальной переходной посадкой М6 (а), с потайной головкой с углом 120 градусов типа Hi-Lok М6 (б) и с плоско-скругленной головкой и короткой резьбовой частью типа Hi-Lok М10 (в)

По результатам проведенных исследований можно отметить следующее:

– микроструктура образцов болтов из сплава ВТ47 представлена исходными β-зернами с мелкодисперсными выделениями частиц вторичной α-фазы высокой однородности внутри β-зерна;

– микроструктура исследованных зон каждого из болтов идентична, размеры и фазовое строение зерен однородное, визуальных дефектов структуры не обнаружено.

В сравнении с микроструктурой прутков после упрочняющей термической обработки следует отметить, что частицы α-фазы внутри β-зерна более мелкопластинчатые, а также имеют преимущественно однонаправленную морфологию. Данная структура характерна для изделий, изготовленных с НТМО, и обеспечивает повышение уровня прочностных характеристик готовых крепежных изделий (болтов).

Пересыщенный β-твердый раствор сплава ВТ47 в состоянии после закалки является механически стабильным, поэтому при холодной деформации во время высадки не происходит выделения α-фазы. Однако возникающие в процессе холодной деформации дефекты кристаллического строения выступают в роли центров зарождения и роста частиц вторичной α-фазы при последующем старении, обеспечивают более однородную структуру болтов и ускоряют процесс распада метастабильной β-фазы. Это, в свою очередь, позволяет достичь стабильного высокого уровня механических свойств и характеристик надежности при повышенных разрушающих нагрузках, что подтверждают результаты проведенных исследований.

Для определения разрушающих нагрузок болтов проведены испытания на разрыв и на срез (в соответствии с ОСТ 1 31101–80), статическую чувствительность к надрезу (в соответствии с ОСТ 1 90052–72), мало- и многоцикловую усталость, а также усталостную долговечность (в соответствии с ГОСТ 25.502–79) на болтах (табл. 2 и 3).

Таблица 2

Разрушающие нагрузки при разрыве и срезе, а также статическая чувствительность

к надрезу болтов из псевдо-β-титанового сплава ВТ47*

Конструктивной особенностью крепежных изделий из титановых сплавов является то, что разрушение болтов обычно происходит в самом слабом месте – головке болта. Соответственно, болты с потайной головкой показывают меньшие значения разрушающих нагрузок при разрыве, в сравнении с болтами, имеющими более массивную классическую шестигранную или плоско-скругленную головку.

Результаты испытаний для определения разрушающих нагрузок показывают, что болты из сплава ВТ47 обладают высокими показателями механических свойств в сравнении с аналогичными изделиями из сплава ВТ16.

Таблица 3

Разрушающие нагрузки при мало- и многоцикловой усталости,

а также усталостная долговечность болтов из псевдо-β-титанового сплава ВТ47

В целом применение НТМО на прутках из сплава ВТ47 в процессе изготовления крепежных изделий обеспечивает получение структуры материала с мелкопластинчатой α-фазой преимущественно однонаправленной морфологии, что, в свою очередь, обеспечивает достижение повышенного уровня механических свойств, таких как временно́е сопротивление и сопротивление срезу.

Заключения

Используемые прутки из псевдо-β-титанового сплава ВТ47, поставляемые в закаленном состоянии, обеспечивают достижение высокой степени деформации в холодном состоянии и позволяют реализовать возможность применения схемы, предусматривающей холодную высадку материала при изготовлении крепежных изделий (болтов).

В процессе старения прутков из данного сплава происходит распад пересыщенного твердого раствора с выделением частиц вторичной α-фазы, что подтверждается результатами проведенного качественного рентгеноструктурного анализа (рис. 2). Уровень прочности материала при растяжении, в первую очередь, определяется полнотой протекания процесса распада метастабильной β-фазы и равномерностью получаемого структурно-фазового состояния, что обусловлено реализацией доминирующего дисперсионного механизма упрочнения образцов из сплава ВТ47.

Помимо положительного влияния первичной α-фазы на распад метастабильной β-фазы в процессе старения следует отметить и благотворное влияние на свойства дефектов кристаллического строения и размера зерен β-фазы, наследуемых после холодной деформации при изготовлении прутков.

При учете влияния дефектов строения материала на процессы распада и значений механических свойств становится очевидно, что повышение прочности материала из сплава ВТ47 происходит за счет проведения операций холодной высадки, которая ограниченно применяется для высокопрочных (α + β)-сплавов вследствие их невысокой технологической пластичности при комнатной температуре. Однако повышенная технологическая пластичность закаленных псевдо-β-сплавов открывает широкие возможности для реализации данного метода, что подтверждается достижением высокого уровня механических и эксплуатационных свойств.

В результате проведенных исследований установлено, что применение операции холодной высадки на прутках из титанового сплава ВТ47 в процессе изготовления крепежных изделий обеспечивает получение структуры материала с мелкопластинчатой α-фазой преимущественно однонаправленной морфологии, что способствует реализации комплекса высоких механических свойств, таких как временно́е сопротивление и сопротивление срезу. Применение сплава ВТ47 для изготовления крепежных изделий (болтов) обеспечивает повышение их предела прочности более чем на 200 МПа в сравнении с применяемым в настоящее время для аналогичных целей сплавом ВТ16 с уровнем предела прочности ≥1040 МПа в термически упрочненном состоянии.

Следует отметить, что результаты проведенных испытаний и анализ полученных данных показали следующее: крепежные изделия (болты), изготовленные из титанового сплава ВТ47, выдерживают при разрыве и срезе более высокие нагрузки ‒до ~40 и ~50 % соответственно (по сравнению с аналогичными деформационно-упрочненными изделиями из титанового сплава ВТ16), а также до ~20 % при разрыве и срезе по сравнению с аналогичными термоупрочненными изделиями из титанового сплава ВТ16). Это объясняется более высоким уровнем прочности сплава ВТ47 после окончательной термической обработки по сравнению со сплавом ВТ16.

Добиться дополнительного повышения уровня разрушающих нагрузок крепежных изделий (болтов) возможно за счет оптимизации процесса их производства, направленной на повышение механических характеристик в самом слабом месте изделия – зоне головки крепежных изделий (болтов).

Возможность достижения высоких значений прочностных характеристик в совокупности с высокой технологической пластичностью делает актуальным применение псевдо-β-сплава ВТ47 в качестве материала крепежных деталей.