Введение

Повышение эффективности работы авиационных двигателей и энергетических установок невозможно без разработки и внедрения новых материалов, обладающих комплексом свойств, которые ранее были недостижимы. Особые требования предъявляют к жаропрочным сплавам, предназначенным для изготовления лопаток, дисков, направляющих аппаратов и корпусных элементов компрессора и турбины, поскольку эти детали подвергаются высоким тепловым и силовым нагрузкам. Для изготовления ответственных деталей газотурбинного двигателя (ГТД) до недавнего времени применяли такие легкие жаропрочные материалы, как псевдо-α- и (α + β)-титановые сплавы типа ВТ25У и ВТ18У (РФ), IMI 834 (Великобритания), Ti6242S и Timetal 1100 (США), с рабочей температурой до 550–600 °С и плотностью 4,5–4,6 г/см³. Однако использование данных сплавов при температурах ˃600 °С ограничено резким снижением жаропрочных свойств и повышенным окислением, обусловленным деградацией структуры.
К материалам, которые могли бы частично заменить традиционные жаропрочные никелевые сплавы и стали с плотностью 8–8,5 г/см³, относятся легкие интерметаллидные сплавы на основе γ(TiAl)- и орто(Ti₂AlNb)-фаз с плотностью 4–4,3 и 5,1–5,4 г/см³ соответственно. Интерметаллиды титана и сплавы на их основе привлекают внимание металловедов благодаря уникальному сочетанию физических и эксплуатационных свойств, реализация которых на практике поможет решить самые амбициозные задачи промышленного газо- и турбостроения [1–6].

Большой интерес к сплавам на основе интерметаллида TiAl связан с их высокими температурой плавления и коэффициентом упругости, низкой плотностью и хорошей стойкостью к окислению. В настоящее время эти сплавы являются наиболее перспективной альтернативой жаропрочным сталям и сплавам в авиационных ГТД, планерах и автомобильных двигателях. Однако низкие пластичность и вязкость разрушения при комнатной температуре долгое время препятствовали их промышленному применению [7]. Такие сплавы уже используются для изготовления лопаток в двигателях GEnxTM, а новый стабилизированный сплав TiAl (TNM) – для производства лопаток LPT в двигателях PW1100G™ [8, 9].

Для широкого внедрения конструкционных материалов, в том числе и интерметаллидных титановых сплавов, в конструкции авиационных двигателей необходима разработка технологий сварки, обеспечивающей получение качественных соединений с высокими показателями их механических характеристик [10–12].

Как правило, основные методы сварки, используемые для обычных титановых сплавов, также можно применять и для соединения интерметаллидных титановых сплавов. Однако необходимо оптимизировать параметры процесса сварки. В некоторых случаях, например для обеспечения сравнительно низкой скорости охлаждения сварного шва, требуется дополнительная оснастка, которая минимизирует возможность образования трещин, а также способствует формированию оптимальной структуры сварного соединения и получению требуемых механических характеристик.

Опубликованные к настоящему времени работы по свариваемости интерметаллидных сплавов в основном рассматривают соединение Ti₃Al с самим собой или со сплавом на основе титана. В меньшей степени исследованы сплавы Ti₂AlNb и Ti₃AlNb.

В данной статье представлены основные достижения в области создания неразъемных соединений из интерметаллидных титановых сплавов. Работа выполнена в рамках реализации комплексной научной проблемы 10.8. «Технологии сварки плавлением новых конструкционных материалов» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [13].

Сварка плавлением интерметаллидных титановых сплавов

Некоторые методы создания неразъемных соединений, широко применяемые в авиационной промышленности (аргоно-дуговая, электронно-лучевая и лазерная сварка), используются для соединения интерметаллидных титановых сплавов с переменным успехом. Так, кратковременная прочность при комнатной температуре сварных соединений сплавов составов Ti–24Al–17Nb и Ti–22Al–27Nb, полученных лазерной сваркой, соответствовала показателям прочности основного материала. Сварные соединения различных сплавов – например, сплава состава Ti–22Al–25Nb и сплава TC11, выполненные электронно-лучевой сваркой, достигали значений прочности, характерных для сплава TC11 [14–19].

Поскольку интерметаллидные титановые сплавы обладают низкой пластичностью и высокими термическими напряжениями, возникающими под воздействием термического цикла сварки плавлением, их соединения характеризуются высокой склонностью к образованию холодных трещин. Однако данный эффект можно уменьшить путем тщательного выбора параметров сварки и с помощью предварительного подогрева сплавов до температуры 700–800 °C [20].

В настоящее время наиболее распространенный метод получения сварных соединений жаропрочных сплавов на основе алюминидов титана – электронно-лучевая сварка [21, 22]. Для деталей небольших размеров влияние фазового превращения на вероятность образования холодных трещин является преобладающим. Таким образом, параметры процесса сварки должны обеспечивать протекание фазового превращения α → γ с образованием (γ + α₂)-структуры сварного шва. Для крупногабаритных деталей и жестких конструкций влияние фазовых превращений на свариваемость уменьшается по сравнению с влиянием остаточных напряжений [7]. Помимо технологических параметров сильное влияние на процесс электронно-лучевой сварки оказывает содержание легирующих элементов. Например, добавка ниобия в количестве 5–8 % (по массе) способствует повышению значений прочности, ползучести и коррозионной стойкости [18].

Другим перспективным методом создания неразъемных соединений интерметаллидных титановых сплавов с использованием концентрированного источника энергии, наряду с электронным лучом, является лазерная сварка [23]. В последнее время благодаря универсальности и гибкости этого процесса, высоким удельной погонной энергии и скорости, а также малым деформациям возрос интерес к лазерной сварке титановых сплавов, в том числе и на основе интерметаллида TiAl [24]. Как и в случае с электронно-лучевой сваркой, перед проведением процесса лазерной сварки соединяемые детали рекомендуется подогревать: чем больше температура подогрева, тем выше может быть скорость самого процесса. В работе [19] установлено, что качественные сварные соединения жаропрочных сплавов на основе алюминидов титана можно получить при скорости сварки 50 мм/с, если начальная температура составляла 600 °C, при скорости 43 мм/с и температуре 400 °C, а также при скорости 33 мм/с и комнатной температуре. В статье [23] показано, что благодаря применению лазерного источника и организации качественной защиты сварочной ванны от воздействия газов атмосферы получены сварные соединения из сплава состава Ti–22Al–27Nb, обладающие прочностью, близкой к прочности основного материала.

В работе [25] продемонстрирована возможность получения бездефектных сварных соединений из интерметаллидного γ-титанового сплава методом аргоно-дуговой сварки без предварительного подогрева при условии обеспечения необходимой величины тока сварки. Установлено, что для толщины соединяемого материала 2 мм значение тока должно быть не менее 75 А.

Присадочные материалы для сварки интерметаллидных титановых сплавов

Следует отметить, что в настоящее время в Российской Федерации наиболее жаропрочными серийно изготавливаемыми сварочными проволоками являются проволоки марок ВТ20-1св и ВТ20-2св. Однако они не способны обеспечить высокий уровень прочностных характеристик при рабочих температурах ˃500 °С (в частности, длительную прочность), а сварочные материалы для сплавов на основе интерметаллида TiAl отсутствуют.

За рубежом, преимущественно в КНР, активно ведутся работы по исследованию влияния на структуру и свойства сварных соединений интерметаллидных титановых сплавов состава присадочных материалов, а также по их разработке. Так, в статье [26] представлено исследование влияния присадочного материала (чистого ниобия) на структуру и свойства сварных соединений сплава состава Ti–24Al–15Nb, полученных с помощью лазерной сварки. Установлено, что структура металла шва, изготовленного без присадочного материала, представляет собой сочетание хрупкой  и B2-фаз. Прочность сварного соединения в данном случае составила 330 МПа, при этом разрушение происходило по шву. Применение присадочного материала позволило значительно повысить эту механическую характеристику до 724 МПа (что составляет 0,82 от прочности основного материала), оказывая сильное влияние на его состав и микроструктуру. По сравнению со сварными швами, изготовленными без использования присадочного металла, в сварных швах, полученных с применением ниобия, увеличивается содержание последнего и уменьшается содержание алюминия, что способствует выделению орто-фазы в матрице B2 и сдерживает образование мартенсита. Таким образом, авторы работы [26] считают, что для улучшения механических свойств сварных соединений интерметаллидных орто-титановых сплавов, полученных лазерной сваркой, целесообразно использовать в качестве присадочного материала чистый ниобий.

Применение присадочного материала оригинального химического состава позволит соединять интерметаллидные титановые сплавы с жаропрочными сплавами на никелевой основе, являющимися одними из основных конструкционных материалов для ГТД. Исследования сварных соединений сочетания сплава состава Ti–24Al–15Nb–1Mo и сплава In718, изготовленных аргоно-дуговой сваркой с использованием присадочных материалов систем Ti–Nb и Ti–Ni–Nb, показали, что наибольшего значения прочности сварного шва удается достичь при большем содержании ниобия и отсутствии никеля в составе присадки [14].

В работе [27] продемонстрированы преимущества использования присадочного материала при лазерной сварке сплава на основе интерметаллида титана. Так, применение в качестве сварочной проволоки чистого титана позволило повысить прочность сварных соединений до 0,75 от основного материала.

Сварка давлением интерметаллидных титановых сплавов

Поскольку сплавы на основе интерметаллида титана обладают высокой склонностью к образованию трещин, применение методов сварки в твердой фазе является перспективным направлением для получения неразъемных соединений этого класса материалов. Одним из широко применяемых методов является диффузионная сварка. Наиболее часто встречающийся дефект при использовании данного технологического процесса – это несплошность, образующаяся при недостаточной продолжительности или температуре выдержки. Термическая обработка после диффузионной сварки позволяет получать соединения, равные по прочности основному материалу [7].

В работе [28] показано использование перспективного для конструкции ГТД метода линейной сварки трением для изготовления сварных соединений из сплава на основе интерметаллида Ti₂AlNb. Структура сварного шва представляла собой B2-фазу с включениями орто- и α₂-фаз. Прочность сварного соединения соответствовала прочности основного металла.

Пайка интерметаллидных титановых сплавов

В настоящее время в мире создано большое количество припоев для пайки титановых сплавов, которые можно разделить на три основные группы:

– припои на основе алюминия;

– припои на основе серебра;

– сложнолегированные припои на основе сплава системы Ti–Ni–Cu.

Наиболее широко используемые припои для пайки титановых сплавов представлены в табл. 1 и 2 [29–34].

Таблица 1

Припои на основе серебра и алюминия

Таблица 2

Припои на основе сплава системы Ti–Ni–Cu

Припои на основе серебра обладают высокими технологическими характеристиками, хорошо смачивают титановые сплавы и имеют невысокую температуру пайки. Паяные соединения, выполненные с их применением, достаточно пластичны, однако имеют невысокий уровень прочности при повышенных температурах и низкую коррозионную стойкость при воздействии сред, содержащих ионы хлора. Ввиду существенных недостатков припои на основе серебра в настоящее время почти не применяются.

Припои на основе алюминия интенсивно разрабатывали в 1960–1970-х гг. Низкая температура плавления алюминия позволяет легко создавать на его основе припои с температурой плавления меньше температуры β-превращения титановых сплавов, что сохраняет высокие прочностные характеристики соединяемых материалов. Паяные соединения, выполненные алюминиевыми припоями, показывают удовлетворительную прочность при срезе. Однако из-за образования на границе паяного шва и основного материала интерметаллидных включений TiAl, паяные соединения хрупкие, обладают низкими характеристиками сопротивления усталости и ударной вязкости. При этом длительная эксплуатация паяных соединений титановых сплавов, выполненных алюминиевыми припоями, показала склонность этих соединений к коррозии практически во всех условиях.

В настоящее время сложнолегированные припои на основе сплавов систем Ti–Cu–Ni и Ti–Zr–Cu–Ni позволяют получить наиболее высокопрочные паяные соединения титановых сплавов, которые нашли широкое применение в промышленности во всем мире. Паяные соединения, выполненные с использованием таких припоев, обладают наиболее высокой прочностью при повышенных температурах и практически не подвержены коррозии. Данная группа припоев появилась в 1970-х гг. Их разрабатывали независимо друг от друга такие исследователи, как С.E. Smeltzer, A.N. Hammer и В.С. Рыльников. Для получения низкой температуры плавления данная группа припоев содержит в своем составе большое количество меди и никеля, которые формируют в паяном шве значительное количество хрупких интерметаллидных и эвтектических структур, делающих паяный шов хрупким. Однако благодаря применению гомогенизирующей термической обработки паяных соединений содержание хрупких включений в паяном шве значительно сокращается, что позволяет получать высокопрочные относительно пластичные паяные соединения. Основными недостатками таких припоев являются невысокая жаростойкость и недостаточно высокий уровень прочности паяных соединений при температурах ˃600 °С.

Для пайки интерметаллидных титановых сплавов наиболее перспективными в настоящее время считаются сложнолегированные припои на основе сплава системы Ti–Ni–Cu, дополнительно содержащие в своем составе Co, Nb и Mo, которые повышают жаростойкость и жаропрочность паяных соединений (табл. 3) [30, 32, 34].

Таблица 3

Припои на основе сплава систем Ti–Ni–Cu и Ti–Zr–Cu–Ni,

дополнительно легированные Co, Nb и Mo

Заключения

Анализ научно-технической литературы в области создания неразъемных соединений из сплавов на основе интерметаллидов TiAl показал, что исследования, посвященные данному вопросу, затрагивают все технологические процессы, распространенные в авиационной отрасли. Основные трудности связаны с низкой пластичностью сплавов этого класса и их высокой склонностью к образованию холодных трещин. При использовании методов сварки плавлением рекомендуется предварительно подогревать заготовки и контролировать фазовые превращения параметрами процесса и применением присадочных материалов.