Введение

Двухфазный титановый сплав марки ВТ6 применяется при изготовлении ответственных деталей компрессора авиационных двигателей [1–6], прежде всего взамен сплава ВТ3-1 [7]. К преимуществам сплава ВТ6, помимо высокой технологичности в условиях металлургического производства, относятся такие характеристики, как высокие ударная вязкость, вязкость разрушения, пластичность и низкая чувствительность к концентраторам напряжений при различных видах испытаний. При этом сплав ВТ3-1 в отожженном состоянии обеспечивал более высокий уровень прочностных характеристик по сравнению со сплавом ВТ6. Для того чтобы повысить уровень прочностных характеристик материала штамповок из сплава ВТ6, разработаны и внедрены технологические методы термомеханической обработки и режимы термической обработки штамповок дисков и прутков, заключающиеся в переходе от одноступенчатого отжига к двойному отжигу с охлаждением в воде после высокотемпературной ступени; для изготовления штамповок лопаток разработаны технологические процессы термомеханической и высокотемпературной термомеханической обработок. В настоящее время, с учетом потребностей авиационной промышленности в освоении производства поковок из сплава ВТ6 со значительно возросшими массами и габаритными размерами изделий, на фоне изменений в металлургическом производстве основного предприятия – поставщика металлургической продукции [8], отмечается тенденция к нивелированию вышеуказанных преимуществ сплава ВТ6 вплоть до трудностей с обеспечением норм по ударной вязкости, имеющихся в действующей отраслевой нормативной документации. При этом авторами А.В. Волковым, М.О. Ледером, М.В. Антоновой, Е.А. Шушаковой и др. в докладах «Назревшие вопросы регламентации системы управляемого использования титановых сплавов в конструкциях. К вопросу интеграции мирового опыта для пересмотра отечественной нормативной базы» на Международной конференции Ti-2024 в СНГ (г. Суздаль, май 2024 г.) и «Увеличение глубины параметризации материала, как залог обеспечения конкурентоспособности конструкции двигателя: проблемы и потенциал развития» на Международном форуме по двигателестроению МФД-2024 (г. Москва, октябрь 2024 г.) высказано мнение о нецелесообразности контроля характеристик ударной вязкости (на образцах типа KCU) и работы разрушения образцов с усталостной трещиной (KСТ) для наиболее ответственных деталей двигателя из титановых сплавов. Ставятся также под сомнение те или иные технические требования действующей нормативной документации. Такое положение не может не беспокоить специалистов НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ как организацию-разработчика материала. В этой связи в ряде статей необходимо ознакомить широкий круг специалистов с результатами отдельных работ по сплаву ВТ6, отражающих фактический уровень механических свойств штамповок из сплава ВТ6 в зависимости от метода изготовления, содержания железа в сплаве и термической обработки. Ранее эти результаты не публиковались. Необходимо аргументированно показать возможные причины снижения значений отдельных характеристик механических свойств по результатам исследований серийного материала промышленной поковки из сплава ВТ6, изготовленной в настоящее время. Отметим, что основной объем работ по первичному освоению сплава ВТ6 для деталей двигателя пришелся на период с 1983 по 1992 г. Тогда обозначенные ранее преимущества сплава ВТ6 представлялись одинаково ценными для разработчиков новых изделий авиационной техники, специалистов отраслевых институтов и производителей металлургической продукции. Проблема достижения максимальных показателей прочностных характеристик (особенно для крупных полуфабрикатов) стала очевидной после получения первых результатов исследований опытно-промышленных особокрупногабаритных штамповок лопаток из сплава ВТ6 в отожженном состоянии в сравнении с серийными штамповками из сплава ВТ3-1 (обобщенные данные по результатам приемо-сдаточных испытаний, всесторонних и специальных исследований). Работа выполнена при поддержке ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ. В табл. 1 приведено сравнение механических свойств штамповок лопаток в отожженном состоянии.

Таблица 1

Механические свойства материала особокрупногабаритных штамповок

из сплавов ВТ3-1 и ВТ6 в отожженном состоянии

Видно, что штамповки из сплава ВТ6 в отожженном состоянии существенно уступают по прочностным характеристикам штамповкам из сплава ВТ3-1, но превосходят по ударной вязкости. Материал сплава ВТ6 обладает меньшей чувствительностью к концентраторам напряжений при усталостных испытаниях. Из-за существенно более низких показателей усталостной долговечности гладких образцов, особокрупногабаритные лопатки из сплава ВТ6 не нашли широкого применения, однако в виду очевидных преимуществ по характеристикам надежности, технологичности и себестоимости изготовления штамповок лопаток из сплава ВТ6 потребовалось решать задачу повышения уровня прочностных характеристик материала за счет изменения технологии термомеханической и термической обработок. Типовыми методами изготовления штамповок лопаток из двухфазных титановых сплавов, обеспечивающими повышение прочностных характеристик, являются методы ТМО (термомехническая обработка с совмещением операции калибровки с высокотемпературной ступенью отжига и последующим старением) и ВТМО (высокотемпературная термомеханическая обработка, заключающаяся в проведении операций окончательной штамповки и калибровки за один нагрев с последующими закалкой в воде и старением). Для средне- и крупногабаритных штамповок лопаток первоначально ставилась задача по достижению гарантированного уровня прочности: σ_в ³ 1080 МПа при уровне KCU ³ 40 Дж/см² и KСТ ³ 20 Дж/см², но по результатам выполненных работ уровень характеристик для включения в нормативную документацию пришлось скорректировать.

Об актуальности вопросов, связанных с повышением характеристик механических свойств сплавов типа ВТ6 и Ti6-4 и с технологией изготовления полуфабрикатов, заготовок и деталей, свидетельствуют многочисленные публикации как в отечественных, так и в зарубежных изданиях [9–15].

Материалы и методы

В качестве исходной заготовки при проведении исследований по влиянию метода изготовления штамповок лопаток из сплава ВТ6 на механические свойства использовали горячекатаные прутки диаметром 50‒60 мм промышленного производства. В расчетном составе сплава содержание железа составляло 0,3 % (по массе). Макроструктура прутков в поперечном сечении – однородная, матовая, соответствует 2–3 баллу по 10-балльной шкале ГОСТ 26492‒85. Микроструктура прутков после одноступенчатого отжига: 4–5 типов по 9-типной шкале ГОСТ 26492‒85. Химический состав материала соответствует техническим условиям и отраслевому стандарту. Уровень легирования плавок сплава ВТ6, использованных в данной работе, выраженный в алюминиевом и молибденовом структурных эквивалентах, приведен в табл. 2.

Таблица 2

Уровень легирования плавок штамповок лопаток и дисков сплава ВТ6,

исследованных в данной работе

Механические свойства прутков после одноступенчатого отжига по результатам контрольных испытаний нескольких партий приведены в табл. 3 (общее количество испытаний 50).

Определение механических свойств проводили по стандартным методикам ГОСТ 94545‒78, ГОСТ 9651–84, ГОСТ 10145–84, ГОСТ 1497–84, ГОСТ 25.502‒79, принятым для испытания металлов. Испытания на малоцикловую усталость проводили по схеме «растяжение», на многоцикловую усталость – по схеме «чистый изгиб при вращении». Значения долговечности для малоцикловой усталости определены на базе 10⁴ циклов, для многоцикловой – на базе 2×10⁷ циклов.

Таблица 3

Механические свойства прутков в отожженном состоянии

в формате «минимальное–максимальное» значения

Штамповки лопаток двух шифров изготавливали на молоте в условиях серийного металлургического производства с применением типовой для титановых сплавов схемы изготовления, включающей высадку (набор «головы» под замковую часть), предварительную и окончательную штамповку с последующей калибровкой и закалкой в воде за один нагрев при температурах двухфазной области (ВТМО). Готовые штамповки по площади проекции относятся к средне- и крупногабаритным. При проведении исследований образцы вырезали из пера лопатки в продольном и поперечном направлениях, а также из замков ‒ в поперечном направлении.

Результаты

На рис. 1 приведены зависимости изменения средних значений характеристик механических свойств штамповок лопаток после ВТМО в зависимости от температуры старения в интервале от 450 до 700 °С, продолжительность старения не изменяли. Средние значения получены по результатам испытаний 5–8 образцов, вырезанных из замка и пера среднегабаритных штамповок лопаток.

Рис. 1. Влияние температуры старения на свойства материала штамповок лопаток из сплава ВТ6 после ВТМО

Исходя из полученных результатов, для дальнейших исследований для метода ВТМО выбрана температура старения 600 °С. Механические свойства крупногабаритной штамповки лопатки после ВТМО и выбранной температуры старения с учетом места вырезки образцов приведены в табл. 4.

Таблица 4

Механические свойства крупногабаритной штамповки лопатки из сплава ВТ6 (ВТМО) в формате «минимальное‒максимальное» значения

На одном из выбранных шифров среднегабаритных штамповок с массой ~10 кг и длиной ~500 мм провели сравнительное исследование свойств материала штамповок лопаток, изготовленных методами объемной штамповки, ТМО и ВТМО из исходного материала одной плавки. В табл. 5 приведены минимальные значения механических свойств материала в зависимости от метода изготовления и места вырезки образцов (перо или замок).

Таблица 5

Механические свойства материала штамповки лопатки

в зависимости от метода изготовления

(минимальное значение по результатам трех-пяти испытаний)

Для определения механических свойств материала штамповок из сплава ВТ6, изготовленных методом ВТМО при повышенных температурах, изготовлена дополнительная партия. Одновременно для объективного сравнения характеристик сплавов ВТ3-1 и ВТ6 в этих же производственных условиях с применением той же оснастки из серийных катаных прутков сплава ВТ3-1 методом ТМО изготовлена партия штамповок по серийным режимам. Результаты испытаний механических свойств материала пера штамповок лопаток одного шифра из сплавов ВТ3-1 (ТМО) и ВТ6 (ВТМО) приведены в табл. 6 (данные в формате «минимальное‒максимальное» значения).

Таблица 6

Сравнение механических свойств среднегабаритных штамповок пера лопаток

из сплавов ВТ3-1 (ТМО) и ВТ6 (ВТМО), изготовленных в одних и тех же штампах

В табл. 7 приведены прочностные и усталостные характеристики материала штамповок ВТМО из сплава ВТ6 при комнатной и повышенной температурах, на рис. 2 – результаты испытаний на ползучесть при температуре 300 °С за 100 ч.

Таблица 7

Усталостные характеристики и длительная прочность среднегабаритных штамповок

из сплава ВТ6 (ВТМО)

Рис. 2. Ползучесть сплава ВТ6 в состоянии ВТМО в сравнении с ползучестью  сплава ВТ3-1 при температуре 300 °С в течение 100 ч

Обсуждение и заключения

Вначале сопоставим характеристики механических свойств исходных прутков и штамповок лопаток (табл. 3 и 5) в отожженном состоянии, полученных методом объемной штамповки. С учетом того, что при контроле прутков образцы вырезают в продольном направлении, для сравнения правильно использовать значения характеристик, полученные для образцов, вырезанных из пера лопатки в том же направлении. Объемная штамповка с последующим одноступенчатым отжигом приводит к существенному увеличению прочностных характеристик пера лопатки – не менее чем на 70 МПа при одновременном повышении характеристик пластичности. При этом величина ударной вязкости снижается на 11 Дж/см². Такие изменения объясняются значительной «проработкой» микроструктуры пера лопатки при горячей деформации (накопленная суммарная деформация по перу составляет не менее 90 %). Помимо этого, особенностью термической обработки сплава ВТ6 по режиму одноступенчатого отжига является относительно низкая температура его проведения (рис. 3).

Рис. 3. Температурные области изготовления штамповок лопаток методами объемной штамповки (Ш), ТМО и ВТМО

При такой температуре прохождение процессов рекристаллизации и роста частиц α-фазы ограничено [16]. Поэтому наблюдаемые изменения являются следствием дисперсионного упрочнения. В то же время реализация подобных условий термомеханической и термической обработок приводит к анизотропии механических свойств по перу лопатки в зависимости от направления вырезки образцов. В замковой части из-за меньшей накопленной деформации и проявления анизотропии фиксируются наименьшие характеристики механических свойств, за исключением работы разрушения образцов с усталостной трещиной. Большая анизотропия по перу лопатки имеет место только для метода ВТМО.

Сравнивая результаты исследования материала штамповок средне- и крупногабаритных лопаток, изготовленных методом ВТМО (табл. 4 и 5), следует отметить, что по всем исследованным характеристикам (за исключением минимальных значений относительного сужения) они близки с учетом места вырезки образцов.

Данные, приведенные в табл. 5, позволяют оценить анизотропию свойств материала пера штамповок лопаток в зависимости от направления вырезки – продольного или поперечного. Для всех методов изготовления наибольший уровень условного предела текучести, кратковременной прочности, относительных удлинения и сужения приходится на продольное направление. Ударная вязкость KCU выше у образцов, вырезанных в поперечном направлении из пера или замка лопатки. Работа разрушения образцов с усталостной трещиной KСТ несколько ниже у продольных образцов из пера лопатки. Материал замка лопатки для всех методов изготовления имеет наименьшие показатели прочностных характеристик. Обобщая результаты по всем методам изготовления, получаем, что снижение прочностных характеристик по перу лопатки в зависимости от направления вырезки более существенное и составляет 20–49 МПа, в то время как при вырезке образцов в поперечном направлении из пера и замка лопатки величина снижения прочности составляет 10–35 МПа. Суммарное снижение уровня прочности от наибольших значений по перу лопатки в продольном направлении к замку лопатки в поперечном направлении – существенное, разница составляет от 39–78 МПа. Характер проявления анизотропии механических свойств одинаков для средне- и крупногабаритных штамповок лопаток, изготовленных методом ВТМО (табл. 4 и 5).

Представление о влиянии метода изготовления (состояния материала) на характеристики механических свойств можно получить, обобщив результаты, приведенные в табл. 5, подсчитав среднее из минимальных значений для трех различных мест отбора образцов для каждого из методов изготовления. Диаграммы изменения механических свойств приведены на рис. 4.

Видно, что уровень характеристик ударной вязкости и относительного сужения для штамповок из сплава ВТ6 практически не зависит от метода изготовления. Работа разрушения образцов с усталостной трещиной и относительное удлинение несколько снижаются при переходе от объемной штамповки к методам ТМО и ВТМО. Прочностные характеристики несколько возрастают при переходе от объемной штамповки к методу ТМО, значимый рост прочности материала обеспечивает только метод ВТМО. Несмотря на выраженную анизотропию механических свойств, метод ВТМО сохраняет преимущества сплава ВТ6 перед сплавом ВТ3-1 по характеристикам ударной вязкости и пластичности, чувствительности к концентраторам напряжений при статических и усталостных испытаниях (табл. 6 и 7). Из-за существенно более низких прочностных характеристик штамповок лопаток из сплава ВТ6 по сравнению с штамповками лопаток из сплава ВТ3-1 (табл. 7), изготовленными методом ТМО, рост действующих напряжений, характерных для новых изделий авиационной техники, будет являться существенным препятствием, ограничивающим применение сплава ВТ6 для изготовления первых ступеней вентилятора и компрессора. Это касается и основной характеристики материала применительно к лопаткам компрессора. Для средне- и крупногабаритных штамповок лопаток из сплава ВТ6 достигнутый уровень долговечности σ_‒1 при ВТМО на базе 2×10⁷ циклов можно считать близким к предельному. Для последующих ступеней компрессора при использовании метода ВТМО дополнительными ограничениями будут более низкие характеристики жаропрочности при рабочих температурах ~300 °С (табл. 7). Уже при температуре 300 °С при достижении напряжений ~550 МПа и более, в состоянии ВТМО резко возрастает деформация ползучести (рис. 2).

Рис. 4. Уровень характеристик механических свойств материала штамповок лопаток из сплава ВТ6 по перу и замку в зависимости от метода изготовления

Для сплава ВТ6, как и для его зарубежных аналогов ‒ сплавов Ti6-4 и TA6V [17, 18], для повышения уровня прочностных характеристик после объемной штамповки может применяться термическая обработка, заключающаяся в обработке на твердый раствор с охлаждением в воде с температур верхней части двухфазной области с последующим отжигом или старением (рис. 3). В работе [19] показано, что при такой термической обработке (закалка в воде с температуры полного полиморфного превращения Т_п.п – 28 °С + старение при 730 °С) долговечность материала существенно зависит от фактических условий охлаждения, а именно от времени задержки при переносе заготовок из печи в закалочную емкость. Результаты этого исследования можно сопоставить с исследованием на штамповках лопаток, так как в качестве исходного материала применялся горячекатаный пруток Ø85 мм, а штампованная заготовка представляла собой пластину размером 202´189´31 мм, т. е. сопоставима со среднегабаритными штамповками лопаток. Обобщенные результаты приведены на рис. 5.

При максимальной задержке по времени переноса в закалочный бак в течение 70 с, кратковременная прочность и выносливость материла штамповок снижаются на 7–8 %. Различие в величине упрочнения твердых растворов в результате такой задержки, определяемое по твердости, составляет 14 %.

Рис. 5. Прочность и долговечность материала штампованных заготовок из сплава Ti6-4 после обработки на твердый раствор и старения в зависимости от времени задержки при закалке в воде

При приблизительно одинаковом уровне кратковременной прочности штамповок лопаток ВТМО из сплава ВТ6 и штамповок из сплава Ti6-4 после обработки на твердый раствор и старения, имеет место различие в характеристиках долговечности материалов. Это может быть обусловлено не только различием сплавов и состоянием материала, но и разницей в методиках испытаний (в случае сплава Ti6-4 испытания проводили по схеме «изгиб при вращении», но на образцах с другими геометрическими размерами) и условиях изготовления материала (в данном случае для сплава ВТ6 – это промышленные условия, в случае сплава Ti6-4 термическая обработка проведена в лабораторных условиях). Для сплава ВТ6 применение аналогичной термической обработки на промышленных штамповках для изделий авиационной техники, сопоставимых с особокрупногабаритными штамповками лопаток, средний уровень прочности составляет s_в = 1045 МПа и долговечности s_–1 = 550 МПа на базе 2×10⁷ циклов [20]. С учетом больших габаритов и сечений, а также увеличенной базы испытаний можно видеть, что эти характеристики сплавов вполне сопоставимы. Однако охлаждение в воде с температур, близких к температуре полного полиморфного превращения, для штамповок лопаток приводит к существенному их короблению, поэтому для авиационных штамповок лопаток из сплава ВТ6 этот режим не применяют. Штамповки лопаток, изготовленные по предложенной технологии ВТМО, обладают заданной чертежом точностью, не требуют правки после охлаждения в воде.

Отметим, что при необходимости дальнейшего повышения характеристик долговечности материала штамповок лопаток при сохранении высоких значений ударной вязкости и пластичности, следует рассматривать более совершенный титановый сплав ВТ8М-1, который в состоянии ТМО показал преимущества по основным служебным характеристикам перед другими отечественными и зарубежными сплавами вплоть до температуры 540 °С [21].