Введение

Новые силовые установки ГТД для будущих летательных аппаратов предъявляют жесткие требования к конструкционным материалам, которые будут работать в условиях высоких нагрузок в агрессивной газовой среде в течение заданного ресурса [1].

Для этих целей наиболее перспективны деформируемые интерметаллидные титановые сплавы на основе соединения Ti₂AlNb – так называемые орто-сплавы, которые по своим удельным прочностным и жаропрочным свойствам, технологичности и стойкости к возникновению пожара превосходят серийные титановые сплавы [2–5].

Однако сплавы на основе интерметаллида Ti₂AlNb имеют ряд особенностей при производстве слитков на существующем металлургическом оборудовании, которые связаны с большим содержанием легирующих элементов с различающимися температурами плавления и сложностями при изготовлении расходуемых электродов, что требует разработки технологии, обеспечивающей однородное распределение легирующих элементов в слитках.

В настоящее время в опытно-промышленном производстве используются оптимизированные технологии производства крупногабаритных слитков с однородным распределением легирующих элементов. В работах [6–8] проведены исследования по технологиям выплавки слитков орто-сплавов различными методами.

Несмотря на то, что орто-сплавы предназначены для получения деформированных полуфабрикатов, из этих сплавов можно изготавливать детали, которые невозможно изготовить с помощью операций горячей деформации. Как показывает практика, детали сложной формы целесообразно изготавливать методом литья по выплавляемым моделям в керамические или графитовые формы в вакуумных гарнисажных печах. Поскольку литейная технология наиболее экономичный процесс, она может снизить трудоемкость изготовления таких деталей и обеспечить при некотором снижении низкотемпературных характеристик (σ_в, δ, ψ) повышенную жаропрочность  при рабочих температурах [9].

Материалы, оборудование и методы исследования

В работе использовали интерметаллидный титановый сплав ВТИ-4, основа которого – интерметаллид Ti₂AlNb (орто-фаза), дополнительно легированный цирконием, ванадием, молибденом и кремнием. Для выплавки сплавов использовали серийные шихтовые материалы – титановую губку (марки ТГ90 и ТГ100), лигатуру ниобий-алюминий-кремний (марка АНК), лигатуру алюминий-молибден-титан (марка АМТ), металлические цирконий (марка ЦрИ) и ванадий (марка Вн-М). Из подготовленных шихтовых материалов изготавливали расходуемые электроды, которые переплавляли в слитки многократным вакуумно-дуговым переплавом (ВДП) [10].

Исследования литейных характеристик, макро- и микроструктуры модельных отливок из сплава ВТИ-4 включали:

– выплавку слитков в виде заготовок из сплава ВТИ-4 с помощью способа ВДП;

– отливку образцов в вакуумно-дуговой гарнисажной печи ВДЛ-5 с центробежной заливкой металла в формы;

– определение жидкотекучести;

– определение линейной и объемной усадок;

– определение температурного интервала кристаллизации и заполняемости формы по пробе Чикеля;

– определение температурного интервала кристаллизации способом вакуумного плавления;

– исследование литейных дефектов рентгеновской дефектоскопией;

– горячее изостатическое прессование (ГИП) литых заготовок на установке Quintus-16;

– исследование макро- и микроструктуры литых темплетов с использованием приборов оптической микроскопии.

Результаты экспериментов

Изготовление слитков из сплава ВТИ-4

Для проведения работы изготовлены слитки из сплава ВТИ-4 ø150 мм и массой по 30 кг, которые выплавляли с четырьмя вакуумно-дуговыми переплавами [11]. Химический состав изготовленных слитков представлен в табл. 1.

Таблица 1

Химический состав слитков из сплава ВТИ-4

* В числителе и знаменателе приведены содержания элементов для 1-го и 2-го слитков соответственно.

Из представленных результатов видно, что изготовленные слитки из сплава ВТИ-4 имеют достаточно однородное распределение легирующих элементов.

Определение литейных характеристик

Как показала литейная практика титановых сплавов, получение качественных отливок сложной формы зависит от жидкотекучести сплава, которая определяет заполняемость литейной формы [12].

Параметры жидкотекучести сплавов в основном определяются:

– физическими свойствами сплава – температурой плавления, поверхностным натяжением расплава, интервалом кристаллизации, теплопроводностью сплава и др.;

– свойствами материала литейных форм, геометрическими размерами форм, конструкцией и размерами литников, способами заливки металла и др.

Для получения литых заготовок из сплава ВТИ-4 использовали гарнисажную плавку слитков четырехкратного переплава в вакуумно-дуговой печи. Перед плавками в тигле гарнисажной печи наводили гарнисаж из модельного сплава системы Ti–12Al–40Nb (% (по массе)) толщиной 35–45 мм. Процесс получения отливок заготовок включал: приварку слитка к державке и центровку слитка в тигле, откачку печи до вакуума с остаточным давлением 0,133 Па, плавку слитка электрической дугой.

Заливку жидкого сплава ВТИ-4 проводили центробежным методом, который обеспечивал получение отливок с меньшими литейными дефектами. Полученные отливки охлаждали в вакууме в течение 90 мин. Охлажденные отливки отрезали от центрального стояка и передавали на пескоструйную обработку для очистки отливок от остатков формы.

Оценку жидкотекучести сплава ВТИ-4 проводили на спиральной пробе треугольного сечения, показанной на рис. 1. Для оценки характеристики отливали 5 проб и вычисляли среднее значение длины залитой спирали. Разброс данных по длине залитой пробы не превышал 3%.

Рис. 1. Графитовая форма для определения жидкотекучести в разобранном виде

Линейную усадку сплава ВТИ-4 определяли при помощи специальных образцов, заливаемых в стальной кокиль. Внутренняя полость кокиля длиной 296 мм, предназначенная под заливку образца, имела круглое сечение ø20 мм с таким условием, что металл при охлаждении имеет свободную усадку как по диаметру, так и по длине образца. После охлаждения образец вынимали из кокиля и замеряли его длину. Внешний вид образца для определения линейной усадки показан на рис. 2. Для получения достоверных значений линейной усадки отливали по 5 образцов сплава и подсчитывали ее среднее значение.

Рис. 2. Внешний вид образца для определения линейной усадки

Объемную усадку сплава ВТИ-4 определяли по разности объемов шаров, залитых в стальной кокиль, и внутренней полости стального кокиля, оформляющей шар.

Для получения концентрированной усадочной раковины в центре шара, которую легко замерить при разрезке шара по наибольшему диаметру, использовали малое сечение питателя. Это сделано для того, чтобы во время кристаллизации он не мог питать жидким металлом залитый шар, так как после заливки питатель быстро застывает и не питает отливку. Замер объема залитой шаровой пробы проводили методом гидростатического взвешивания путем погружения пробы в воду с последующим вычетом объема усадочной раковины. Результаты определения объемной усадки сплава ВТИ-4 приведены в табл. 2.

Таблица 2

Литейные свойства титановых сплавов ВТ5Л, интерметаллидных

Ti–16Al(% (по массе)) и ВТИ-4

* Справочные данные [9].

Определение температурного интервала кристаллизации проводили методом вакуумного плавления в переменном температурном поле по схеме, представленной на рис. 3 [13]. Видно, что нижний конец образца находился в самой горячей зоне нагрева, поэтому этот участок быстрее нагревался и на конце образца появлялась капля жидкого металла, которая и определяла температуру ликвидус сплава. Границу температуры солидус сплава определяли по появлению жидкости в виде отдельных капель на границе зерен. Используя график распределения температурного поля по образцу, определяли температуры солидус и ликвидус сплава.

Рис. 3. Схема определения температурного интервала кристаллизации методом вакуумного плавления (Т_S, Т_L – температура солидус и ликвидус соответственно)

Для получения достоверных параметров проводили 5–8 определений и рассчитывали среднее значение. Разброс значений не превышал 6–8%. Результаты определения интервала кристаллизации для сплава ВТИ-4 представлены в табл. 2. Следует отметить, что, несмотря на простоту этого метода, полученные данные по температурам ликвидус и солидус для сплава ВТИ-4 являются приближенными, поскольку в экспериментах не учитывали силы поверхностного натяжения расплава, влияющие на формирование и отрыв капли [14].

Изучение заполняемости форм сплавом ВТИ-4 проводили с помощью электрокорундовых форм, изготовленных по выплавляемым моделям, прессованных графитовых форм и металлического кокиля. Пробы на заполняемость (рис. 4) имели несколько каналов разного сечения длиной ~200 мм. Погрешность по сечению канала не превышала ±0,1 мм. Такой размер канала определялся размерами отдельных частей отливки, куда можно подвести питатели для жидкого металла. В большинстве отливок расстояния от питателя до конечной точки литой заготовки не превышали 200 мм.

Рис. 4. Проба на заполняемость формы

При центробежной заливке образцы на заполняемость располагали на одинаковом расстоянии от оси вращения, равном 200 мм, поэтому давление, оказываемое на металл, для всех образцов было определенным и имело следующее значение: 2,22 МПа – для 100 об/мин, 8,88 МПа – для 200 об/мин.Результаты исследования центробежной заливки на заполняемость форм титановым сплавом ВТ5Л, интерметаллидными сплавами ВТИ-4 и системы Ti–16Al (% (по массе)) приведены в табл. 2.

Из полученных данных видно, что сплав ВТИ-4 имеет более низкие литейные характеристики – на 40% больше объемную усадку, на 44% меньше жидкотекучесть и на 26–28% меньше заполняемость формы по сравнению серийным сплавом ВТ5Л. Интерметаллидный сплав системы Ti–16Al (% (по массе)) по своим литейным характеристикам занимает промежуточное положение. Отмеченные недостатки литейных свойств сплава ВТИ-4 [15, 16] связаны с рядом факторов – повышенной температурой плавления (на 150°С больше, чем у Ti), широким интервалом кристаллизации (более 20°С) и высоким поверхностным натяжением расплава, который содержит элементы с высоким поверхностным натяжением:

Рис. 5. Дефектограмма отливки в виде плиты толщиной 40 мм из сплава ВТИ-4

Для оценки качества отливок образцов проводили рентгеновскую дефектоскопию – выявлены типичные дефекты литья: усадочная раковина и сосредоточенная пористость, которые показаны на рис. 5.

Исследование макро- и микроструктуры литых образцов

Исследование макроструктуры отливок проводили на темплетах, вырезанных в продольном направлении отливок. Макроструктура отливок в толстых и тонких сечениях показана на рис. 6. Размер макрозерна в сечении 40 мм составлял 1500–2500 мкм, а в сечении 10 мм изменялся от 500 до 1000 мкм.

Рис. 6. Макроструктура (×1) ступенчатой отливки из сплава ВТИ-4

Исследование микроструктуры литых образцов проводили на оптическом микроскопе при увеличении ×500. Исходная микроструктура литого образца сечением 10 мм показана на рис. 7. Литая микроструктура в этом сечении представлена крупным β-зерном размерами 500–1000 мкм и тонкими сферическими выделениями внутри зерна. Определить точный размер этих выделений не представляется возможным, поскольку структура является закаленной (приблизительная скорость охлаждения данного участка составляла 300°С/с) и не обеспечивает точных замеров элементов структуры. Ориентировочно размеры этих выделений составляли 1–5 мкм.

Рис. 7. Микроструктура (×500) литого исходного материала

Для устранения микропор и подповерхностных дефектов литые заготовки из серийных и интерметаллидных титановых сплавов подвергают горячему изостатическому прессованию (ГИП) при температурах ниже температуры полиморфного превращения (Т_п.п). Операцию ГИП литых заготовок из сплава ВТИ-4 проводили на установке Quintus-16. Типичная микроструктура материала представлена на рис. 8. Видно, что в образцах после ГИП не обнаруживается микропористость, но сохраняется усадочная раковина и сосредоточенная пористость. После обработки ГИП размеры первичного β-зерна не изменяются, однако отмечено увеличение размеров внутризеренных выделений – до 5–10 мкм, которые имеют в основном сферическую форму. Такое изменение микроструктуры объясняется тем, что ГИП сплава ВТИ-4 проводили в трехфазной β+орто+α₂-области, а температура однофазной области, при которой резко вырастает зерно, составляет 1125°С [17].

Рис. 8. Микроструктура (×500) литой заготовки сечением 10 мм после ГИП

Исследование литейных характеристик сплава ВТИ-4 показало, что для получения литых заготовок и деталей можно использовать существующие технологии гарнисажной плавки и плавильное оборудование – дуговые печи ОКБ 833Д, которые обеспечивают перегрев расплава на 100–150°С выше температуры ликвидус.

Для сохранения температуры расплава и улучшения жидкотекучести при заливке металла в формы, литниковые системы питателей должны иметь на 25–30% увеличенные площади сечений.

При получении тонкостенных отливок целесообразно использовать центробежную заливку форм, обеспечивающую за счет гравитационного эффекта лучшее заполнение их жидким металлом. При оптимальных параметрах центробежной заливки (расстояние от оси вращения и оптимальное число оборотов) влияние материала формы на ее заполняемость будет уменьшаться.

В качестве кардинальных мер по получению качественных отливок из интерметаллидных титановых сплавов наряду с центробежной заливкой целесообразно использовать подогреваемые литейные формы, которые сохранят жидкотекучесть сплавов, обеспечат лучшее их заполнение и позволят снизить термические напряжения, возникающие при охлаждении отливок.

Заключения

Определены литейные характеристики интерметаллидного сплава ВТИ-4 применительно к вакуумно-дуговой гарнисажной печи с центробежной заливкой расплава в керамические или металлические формы.

Установлено, что интерметаллидный сплав ВТИ-4 имеет низкие литейные характеристики по сравнению со сплавом ВТ5Л: на 40% больше объемную усадку, на 44% меньше жидкотекучесть и на 26–28% меньше заполняемость формы.

Для получения качественных отливок из сплава ВТИ-4 необходимо использовать оборудование, допускающее перегрев расплава на 100–150°С выше температуры ликвидус, а также использовать подогреваемые керамические литейные формы, в которых обеспечивается высокая заполняемость и устраняются термические напряжения при охлаждении отливок.

Полученные литейные характеристики сплава ВТИ-4 могут быть использованы для разработки опытной литейной технологии производства из него деталей.