Состояние, проблемы и перспективы создания жаропрочных титановых сплавов для деталей ГТД

Cущественное повышение требований к экономичности и надежности газотурбинных двигателей, к снижению их шумовых характеристик и увеличению ресурса заметно обострили проблему выбора конструкционных материалов, используемых для изготовления ответственных деталей двигателя, в первую очередь, – для лопаток и дисков компрессора высокого давления.

Если учесть, что в современном авиационном двигателе доля титановых сплавов составляет >30% (рис. 1) [1], то станет понятно, насколько важны эти материалы для авиации и насколько необходимо интенсивное развитие материаловедения титановых сплавов и технологии их производства.

Рис. 1. Области применения жаропрочных титановых сплавов в конструкции ГТД

Одним из главных лимитирующих факторов при разработке титановых сплавов стало требование по повышению рабочей температуры деталей компрессора высокого давления ГТД до 550–650°С. По этой причине создание жаропрочных титановых сплавов с высоким сопротивлением малоцикловой усталости и ползучести является в настоящее время одной из наиболее актуальных задач современного двигателестроения.

Прототипами таких сплавов стали отечественные жаропрочные титановые сплавы ВТ25У и ВТ18У, разработанные и внедренные в 80-х годах прошлого столетия, и зарубежные сплавы IMI834 и IMI550 (Великобритания). Различия в химических составах отечественных и зарубежных сплавов невелики, но они носят крайне принципиальный характер.

Разработчики сплавов серии IMI в целях обеспечения высокого сопротивления ползучести и термостабильности существенно уменьшили содержание β-фазы в своих сплавах. В результате этого значительно ухудшилась их технологичность. В отечественных сплавах небольшое количество остаточной β-фазы было сохранено, поэтому они обладают приемлемой для производства технологичностью, что позволяет изготовлять блиски, барабаны, диски и лопатки различных ступеней КВД авиационных двигателей. Однако наличие остаточной β-фазы привело к тому, что хотя по характеристикам кратковременной и длительной прочности при рабочих температурах отечественные титановые сплавы и превосходят импортные аналоги (табл. 1), но все же сопротивление ползучести и термическая стабильность при предельной температуре (600°С) у наших сплавов ниже, чем у зарубежных.

Таблица 1

Механические свойства жаропрочных титановых сплавов [2]

Следует отметить, что приведенные в табл. 1 данные по уровню свойств жаропрочных титановых сплавов уже вряд ли удовлетворяют конструкторов. По этой причине относительно новые жаропрочные титановые сплавы – как отечественные, так и зарубежные (ВТ25У и ВТ18У, Тi-6-2-4-2 и IM834) – нуждаются в дальнейшем улучшении их эксплуатационных характеристик.

Несмотря на то, что исследователи подошли практически вплотную к предельным возможностям твердорастворного упрочнения псевдо-α-сплавов титана, проводимые во ФГУП «ВИАМ» в данном направлении работы, позволяют считать, что применение дополнительного многокомпонентного легирования обеспечит некоторое повышение жаропрочных характеристик титановых сплавов. Так, использование дополнительного легирования такими элементами, как W и Fe, позволило обеспечить повышение и предела прочности σ_в600°  до 720 МПа, и предела длительной прочности при 600°С на базе 100 ч (σ₁₀₀600°) – до 335 МПа (рис. 2) для нового жаропрочного титанового сплава ВТ41. Улучшение прочностных характеристик и жаропрочности при введении дополнительных легирующих элементов связано, главным образом, с образованием некоторого количества карбидной фазы на основе вольфрама и упрочнением, вызванным дополнительным легированием α-твердого раствора железом, введенным в пределах растворимости.               

Рис. 2. Механические свойства серийного сплава ВТ18У (□) и нового сплава ВТ41(■), полученные на штамповках дисков, изготовленных методом β-деформации (при испытании на МЦУ: N=10⁴ цикл; R=0; f=10 Гц; K_t=3,35; r_н=0,25 мм)

 В то же время свойства, связанные с механизмом ползучести и распространения трещины, зависят не столько от вида легирования, сколько от типа структуры. Получение заданного типа микроструктуры материала детали определяется технологическими режимами деформации, используемыми при ее изготовлении, и последующей термической обработки [3].

Проследить, каким образом технологические режимы термомеханической обработки влияют на микроструктуру сплава и, как следствие, – на трещиностойкость и характеристики усталостной прочности можно на примере нового жаропрочного титанового сплава ВТ41, который предназначен для работы при температурах до 600°С. Полуфабрикаты, изготовленные (α+β)-деформацией, обладают глобулярно-пластинчатой структурой (рис. 3), которая обеспечивает повышенные характеристики усталостной прочности на мало- и многоцикловой базах испытаний (табл. 2). Метод β-деформации позволяет получить на полуфабрикатах пластинчатую структуру (рис. 3, а), которая обеспечивает повышенную жаропрочность и трещиностойкость (табл. 2) [4].

 Рис. 3. Микроструктура полуфабрикатов из сплава ВТ41: а – пластинчатая (штамповка, β-деформация); б – глобулярно-пластинчатая (штамповка диска, (α+β)-деформация); в – глобулярно-пластинчатая (пруток, (α+β)-деформация)

Таблица 2

Механические свойства нового отечественного и зарубежного жаропрочных титановых сплавов [2, 3, 5, 6]

  *Для МЦУ: R=0; f=10 Гц; для МнЦУ: R=-1;
** Катаный пруток, закалка и старение.

По данным, приведенным в табл. 2, можно сделать вывод, что эксплуатационные свойства нового жаропрочного титанового сплава ВТ41 не только превышают свойства серийного сплава ВТ18У, но и превосходят свойства зарубежного жаропрочного титанового сплава-аналога IMI834.

Однако предел рабочих температур жаропрочных титановых сплавов типа ВТ18У, ВТ41 и IMI834 составляет 550–600°С, что является недостаточным для деталей компрессора и турбины ГТД нового поколения. Поэтому в течение последних лет внимание разработчиков и исследователей всего мира приковано к новому классу материалов. Благодаря высоким удельным прочностным характеристикам, рабочей температуре >600°С и стойкости к окислению и возгоранию [7, 8], интерметаллидные сплавы на основе алюминидов титана, а именно на основе орто-фазы Ti₂AlNb, являются наиболее перспективными материалами для изготовления деталей последних ступеней компрессора и турбины ГТД нового поколения.

Типичными представителями интерметаллидных титановых орто-сплавов являются сплавы, приведенные в табл. 3.

Таблица 3

Интерметаллидные сплавы на основе орто-фазы (Ti₂AlNb) [2, 9]

Современные орто-сплавы в качестве легирующих элементов (кроме ниобия) содержат также элементы: Mo, V, Ta, W и Zr. Выбор указанных элементов обусловлен тем, что в тройных сплавах Ti–Al–Nb они повышают упругие и прочностные свойства, снижают окисляемость, а за счет изменения фазового состава и структурных превращений позволяют сформировать многочисленные типы структур с повышенными прочностными и пластическими характеристиками и параметрами надежности [9–12]. Для повышения жаропрочных свойств в сплавы вводят Si и С, которые благодаря образованию сложных силицидов, карбидов и дисперсного упрочнения, повышают температурные характеристики – кратковременную и длительную прочность композиций.

Повышенные жаропрочные свойства орто-сплавов наблюдаются при легировании их тугоплавкими элементами, однако повышенное легирование нецелесообразно, поскольку увеличивается плотность сплавов и снижается пластичность, что приводит к уменьшению удельных жаропрочных характеристик и ухудшению технологичности. Преодоление указанных трудностей достигается путем разработки экономнолегированных орто-сплавов и использования технологий производства титановых сплавов, позволяющих за счет твердорастворного, дисперсионного и структурного упрочнения орто-фазы сохранить хорошую технологичность при сохранении приемлемой жаропрочности. Используя указанные приемы и методы, во ФГУП «ВИАМ» разработаны орто-сплавы ВТИ-4 и ВИТ1 [9, 13].

В табл. 4 представлены физико-механические свойства интерметаллидных титановых сплавов на основе орто-фазы (Ti₂AlNb).

Таблица 4

Физические и механические свойства интерметаллидных титановых сплавов на основе орто-фазы [2, 9]

Хотя интерметаллидные сплавы на основе орто-фазы Ti₂AlNb являются наиболее перспективными материалами для изготовления деталей последних ступеней компрессора и турбины ГТД нового поколения, освоение орто-сплавов в промышленном масштабе сдерживается рядом трудностей, которые вызваны специфическими особенностями (большое количество легирующих элементов, повышенная температура плавления и вязкость расплавов, трудность точного определения основных компонентов) и использованием мощного металлообрабатывающего оборудования для производства  конечных деформированных полуфабрикатов – штамповок, поковок, листов, прутков и пр. Поэтому оптимизация химического состава, технологий выплавки и деформации, направленная на повышение характеристик пластичности, технологий механической обработки, изучение кинетики структурно-фазовых превращений, происходящих при термомеханической обработке, являются первоочередными задачами при исследовании интерметаллидных титановых сплавов [12–15].

В настоящее время проводятся работы по освоению разработанных интерметаллидных титановых сплавов на базе промышленных предприятий и их внедрению в перспективные изделия. Одновременно с этим продолжаются работы по дальнейшему совершенствованию композиций сплавов и технологий их металлургического производства в соответствии со стратегическими направлениями развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года [16–18]. Требования, предъявляемые конструкторами к материалам для модернизируемых и новых изделий авиационной техники, ставят перед разработчиками материалов все новые задачи.