Оценка влияния размеров образцов на механические свойства при растяжении жаропрочных титановых и никелевых сплавов

Введение

Во всем мире в течение достаточно длительного времени наблюдается устойчивая тенденция увеличения доли жаропрочных титановых и никелевых сплавов в конструкциях авиационной техники всех типов и назначений [1–3].

Жаропрочные титановые и никелевые сплавы широко применяются для изготовления деталей авиационных газотурбинных двигателей (ГТД), включая рабочие лопатки компрессора. Так, для лопаток компрессора низкого давления, как правило, применяют двухфазные титановые сплавы ВТ3-1, ВТ6, ВТ8, ВТ9, работоспособные при температурах до 350–500°С [4, 5]. Для лопаток ступеней компрессора высокого давления (КВД), где возрастают рабочие температуры, применяют более жаропрочные псевдо-α-титановые сплавы типа ВТ18 или жаропрочные стали [6, 7]. В настоящее время рассматривается возможность применения рабочих лопаток КВД из материалов на основе интерметаллидов титана [8]. Большинство рабочих и сопловых лопаток авиационных ГТД, а также стационарных газотурбинных установок (ГТУ) отливают из литейных жаропрочных никелевых сплавов, основы создания производства и применения которых в авиации заложены академиком С.Т. Кишкиным [9, 10].

В качестве объектов исследования выбраны жаропрочные титановые сплавы различных классов: ВТ3-1, ВТ9, ВТ18 и никелевые литейные жаропрочные сплавы ВЖЛ12У, ЖС6У.

Двухфазный титановый сплав ВТ3-1 относится к системе легирования Ti–Al–Mo–Cr–Fe–Si. Количество стабильной β-фазы в сплаве после стандартного изотермического отжига составляет ~14% [11].

Сплав ВТ9 относится к двухфазным титановым сплавам системы Ti–Al–Mo–Zr–Si. Содержание стабильной β-фазы в сплаве ВТ9 в отожженном состоянии находится на уровне 9%.

Сплавы ВТ3-1 и ВТ9 применяют для изготовления лопаток и дисков газотурбинных двигателей типа Д30, АЛ-31Ф, Д18 и др.

Сплав ВТ18 относится к классу псевдо-α-титановых сплавов и имеет наименьшее количество β-фазы среди жаропрочных титановых сплавов – на уровне 1,5%. Особенностью сплава ВТ18 системы Ti–Al–Zr–Mo–Nb–Si является наибольшее содержание алюминия (α-стабилизатора) и циркония, что приводит к образованию интерметаллидной фазы Ti₃Al [12].

Жаропрочные никелевые сплавы ВЖЛ12У и ЖС6У представляют собой твердые растворы на основе никеля с гранецентрированной кубической (ГЦК) решеткой, упрочненные выделениями γʹ-фазы на основе интерметаллида Ni₃Аl с упорядоченной ГЦК кристаллической решеткой. Высокая жаропрочность этих сплавов определяется большой объемной долей и высо­кой дисперсностью выделений γʹ-фазы, образующихся при термической обработке пересыщенного γ-твердого раствора на основе никеля. Эти сплавы представляют собой чрезвычайно сложные и точно сбалансированные по химическому и фазовому составу системы, в которые целенаправленно вводятся до 15 легирующих элементов.

Первые отечественные серийные литейные жаропрочные сплавы ЖС6У и ВЖЛ12У разработаны в ВИАМ в 1950–1970-х гг. Это позволило создать литые охлаждаемые турбинные лопатки с равноосной структурой и открыть перспективы в решении ключевой проблемы авиационного двигателестроения – повышении рабочей температуры газа. Следует отметить, что в тот период температура газа на входе в турбину составляла 1200 К, тогда как к настоящему времени она возросла до 1800–1950 К, в том числе благодаря применению новых литейных жаропрочных сплавов и переходу от равноосной к направленной кристаллизации, т. е. созданию в отливках лопаток столбчатой структуры зерен. Это позволило повысить их характеристики жаропрочности, пластичности и термостойкости [13].

Расчеты запаса прочности и прогнозирование ресурса рабочих и сопловых лопаток турбины авиационных ГТД и наземных ГТУ основаны на результатах квалификационных испытаний жаропрочных титановых и никелевых сплавов. Механические характеристики сплавов в диапазоне температурно-силовых условий эксплуатации турбинных лопаток определяют на образцах, заготовки которых получают по технологии производства лопаток, а изготовление образцов и их испытания осуществляют согласно требованиям государственных и международных стандартов.

Механические характеристики жаропрочных титановых и никелевых сплавов при комнатной и повышенной температурах, представленные в отраслевых стандартах и технических условиях, определены на образцах с диаметром рабочей части 5 мм.

В связи с тем, что с изменением размеров рабочего сечения испытуемого образца меняется соотношение его поверхности к объему, необходимо учитывать влияние масштабного фактора на прочностные характеристики сплавов при расчетах запасов прочности конструкции ГТД и ГТУ. Существенное снижение длительной прочности жаропрочных никелевых сплавов с уменьшением поперечного сечения рабочей зоны отмечено в работе зарубежных исследователей [14]. Наиболее интенсивное снижение длительной прочности при уменьшении толщины рабочего сечения образцов с 4,5 до 3 мм наблюдается у жаропрочных сплавов с равноосной кристаллической структурой (до 20%) и в меньшей степени снижение этой характеристики наблюдается у сплавов с монокристаллической структурой (до 10%).

Работа выполнена в рамках реализации комплексной научной проблемы 2.2. «Квалификация и исследования материалов» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [15].

Материалы и методы

Исследованию подвергали титановые сплавы ВТ3-1, ВТ9, ВТ18 и никелевые сплавы ВЖЛ12У, ЖС6У. Отобраны катаные прутки Æ35 мм из сплава ВТ3-1 (плавка 1), катаные прутки ø25 мм из сплавов ВТ9 (плавки 2 и 3) и ВТ18 (плавки 4 и 5), полученные в условиях промышленного производства.

Заготовки под образцы вырезали из середины радиуса круга прутка в продольном направлении: из прутка ø35 мм – четыре заготовки (две – для стандартных образцов ø5 мм; две – для образцов ø3 мм). Из прутка ø25 мм вырезали две заготовки: одна – для образца ø5 мм и одна – для образца ø3 мм. Из пластин–«свидетелей», полученных при штамповке лопаток, также изготавливали заготовки под образцы диаметрами 3 и 5 мм.

Термическую обработку заготовок проводили по следующим режимам:

– для сплава ВТ3-1 – отжиг при 870°С в течение 1 ч, охлаждение с печью, выдержка в течение 2 ч, охлаждение на воздухе;

– для сплава ВТ9 – отжиг при 950–970°С в течение 1 ч, охлаждение на воздухе, отжиг при 530°С в течение 6 ч, охлаждение на воздухе;

– для сплава ВТ18 – отжиг при 900°С в течение 1 ч, охлаждение на воздухе.

Химический состав, механические свойства и структура исследованных сплавов удовлетворяли техническим условиям.

Сплавы ЖС6У-ВИ и ВЖЛ12У-ВИ в виде литых прутковых заготовок изготовлены во ФГУП «ВИАМ» на научно-производственном комплексе по изготовлению жаропрочных никелевых сплавов. Данный комплекс включает ряд отдельных участков, оборудованных современным производственным, аналитическим и испытательным оборудованием, что позволяет обеспечить качество изготавливаемой продукции на уровне требований мировых стандартов [16].

Технология получения заготовок из литейных жаропрочных сплавов ЖС6У и ВЖЛ12У включала следующие операции: подготовка шихтовых материалов, выплавка сплава в вакуумной индукционной печи, контроль химического состава литой прутковой заготовки, отливка заготовок под образцы для контроля механических свойств, термическая обработка заготовок, изготовление образцов для проведения механических испытаний.

Данная технология обеспечивает: повышенную чистоту сплавов по газам (кислороду и азоту), примесям (свинцу, висмуту, сере, кремнию и др.) и неметаллическим включениям; получение стабильного химического состава сплавов в узких пределах; высокие и стабильные жаропрочные и  механические свойства сплавов, которые сохраняются после длительной эксплуатации деталей; полное использование при плавке всех образующихся отходов без снижения качества сплавов, что позволяет снизить стоимость сплавов и сэкономить дорогостоящие металлы.

Для выплавки сплавов использовали следующие шихтовые материалы: никель, кобальт, хром, вольфрам, молибден, алюминий, титан, ниобий, ванадий, цирконий, лигатуры «никель–бор», «никель–РЗМ (лантан, церий, иттрий)», отходы литейные и собственные. Отходы полностью очищали от формовочных керамических материалов, краски от люм-контроля и цветной дефектоскопии, маслянистых и других веществ. Перед плавкой все шихтовые материалы, в том числе и отходы, проходили сушку при температуре 200–300°С в течение 3 ч.

Выплавку сплава проводили в вакуумной индукционной печи VIM-50 производства фирмы ALD с емкостью плавильного тигля 350 кг. В тигель загружали никель, кобальт, хром, вольфрам, молибден, ванадий, затем их расплавляли и в расплав последовательно присаживали углерод, титан, ниобий, алюминий. После каждой добавки расплав перемешивали с помощью электромагнитного поля. В конце плавки присаживали цирконий, лигатуры «никель–бор» и «никель–РЗМ». Расплав разливали в стальные трубы с внутренним диаметром 90 мм. Полученные литые прутковые заготовки подвергали механической обработке. Отливку заготовок под образцы проводили в вакуумной порционной печи. Заготовку расплавляли под вакуумом 10^-2 мм рт. ст. (1,33 Па), расплав рафинировали 1–2 мин, замеряли температуру расплава, которая составляла 1520°С, затем расплав заливали в горячую керамическую форму. Форму выдерживали под вакуумом в печи 5 мин и охлаждали на воздухе, далее заготовки под образцы были переданы на термическую обработку.

Термическую обработку проводили в муфельных нагревательных печах по режимам:

– для сплава ЖС6У – нагрев до 1210±10°С, выдержка 4 ч, охлаждение на воздухе;

– для сплава ВЖЛ12У – без термической обработки.

По химическому составу и механическим свойствам исходные плавки сплавов ВЖЛ12У (плавка 6) и ЖС6У (плавка 7) удовлетворяли требованиям технических условий.

В соответствии с ГОСТ 1497, ГОСТ 9651 и ГОСТ 10145 из заготовок сплавов ВТ3-1, ВТ9, ВТ18, ВЖЛ12У и ЖС6У изготовлены образцы диаметрами 5 и 3 мм для проведения механических испытаний. Чертежи образцов диаметрами 3 и 5 мм для испытаний на растяжение и длительную прочность приведены на рис. 1.

Испытания на растяжение и длительную прочность образцов из сплавов ВТ3-1, ВТ9, ВТ18, ВЖЛ12У и ЖС6У проводили на испытательной машине KAPPA 50DS [17, 18]. Методика проведения испытаний соответствовала ГОСТ 1497, ГОСТ 9651 и ГОСТ 10145. Режимы испытаний на растяжение и длительную прочность сплавов ВТ3-1, ВТ9, ВТ18, ВЖЛ12У и ЖС6У приведены в табл. 1.

Рис. 1. Образцы диаметрами 3 (а) и 5 мм (б) для испытаний на растяжение и длительную прочность

Таблица 1

Режимы испытаний на растяжение и длительную прочность

сплавов ВТ3-1, ВТ9, ВТ18, ВЖЛ12У, ЖС6У

Результаты и обсуждение

Проведены испытания на растяжение при температурах 20, 450, 500, 600°C и длительную прочность при температурах 450, 500, 600, 975°C образцов из сплавов ВТ3-1, ВТ9, ВТ18, ВЖЛ12У и ЖС6У. Для каждого сплава, вида полуфабриката и температурного уровня испытывали по 5 образцов на каждый вид испытаний. Средние значения предела прочности, относительного удлинения и относительного сужения представлены в табл. 2.

Таблица 2

Средние значения предела прочности (σ_в), относительного удлинения (δ)

и относительного сужения (ψ) сплавов ВТ3-1, ВТ9, ВТ18,ВЖЛ12У, ЖС6У

Средние значения времени до разрушения и относительного изменения времени до разрушения представлены в табл. 3.

Таблица 3

Средние значения времени до разрушения сплавов ВТ3-1, ВТ9, ВТ18,ВЖЛ12У, ЖС6У

Полученные результаты свидетельствуют, что уменьшение диаметра образцов исследуемых жаропрочных титановых и никелевых сплавов с 5 до 3 мм не приводит к снижению прочностных характеристик при комнатной и повышенной температуре при испытаниях на растяжение.

Значения предела прочности (s_в), относительного удлинения (d) и относительного сужения (y) образцов диаметрами 3 и 5 мм практически одинаковы (табл. 2).

Испытания на длительную прочность показали значительное снижение времени до разрушения образцов исследуемых жаропрочных титановых и никелевых сплавов при уменьшении диаметра с 5 до 3 мм (табл. 3, рис. 2):

– для сплава ВТ3-1 – пруток и пластина-«свидетель» 35%;

– для сплава ВТ9 – пруток до 30%, пластина-«свидетель» до 25%;

– для сплава ВТ18 – пруток до 29%, пластина-«свидетель» до 33%;

– для сплава ВЖЛ12У – литая заготовка 8%;

– для сплава ЖС6У – литая заготовка 30%.

Снижение времени до разрушения образцов ø3 мм (по сравнению с образцами Æ5 мм) может быть связано с образованием и развитием трещин непосредственно на рабочей поверхности. Эта особенность обусловлена участием окислительной атмосферы в процессе структурной повреждаемости жаропрочных сплавов в условиях ползучести, а также плосконапряженным состоянием поверхности образцов, способствующим развитию процессов высокотемпературной пластической деформации.

Следует отметить, что результаты выполненных испытаний согласуются с данными зарубежных исследователей [14].

Рис. 2. Диаграмма относительного изменения времени до разрушения образцов диаметрами 3 (□) и 5 мм (■) сплавов ВТ3-1, ВТ9, ВТ18, ВЖЛ12У, ЖС6У

Заключения

1. Исследовано влияние размеров образцов на механические свойства при растяжении жаропрочных титановых и никелевых сплавов.

2. В результате выполненных исследований установлено, что жаропрочные титановые сплавы ВТ3-1, ВТ9, ВТ18 и никелевые сплавы ВЖЛ12У, ЖС6У не проявляют чувствительности к уменьшению диаметра образцов с 5 до 3 мм при испытаниях на растяжение как при комнатной, так и при повышенной температуре испытаний.

3. Установлено, что уменьшение диаметра образцов с 5 до 3 мм сопровождается снижением времени до разрушения сплавов ВТ3-1, ВТ9, ВТ18, ЖС6У – до 35%. Менее чувствительным к изменению диаметра образцов с 5 до 3 мм оказался жаропрочный никелевый сплав ВЖЛ12У. Снижение времени до разрушения составило всего 8%.

4. Проведение испытаний на длительную прочность на образцах разного размера может привести к результатам, не удовлетворяющим требованиям технических условий и отраслевых стандартов, поэтому необходима строгая регламентация типа образца при проведении приемо-сдаточных испытаний.