Введение

Широкое применение титановых сплавов в конструкциях авиационной и ракетной техники началось еще в середине 1960-х гг. Причиной этого стали известные преимущества титановых сплавов – например, такие как более высокая удельная прочность (отношение прочностных характеристик к плотности) в широком интервале температур по сравнению со сплавами алюминия, сталями и другими сплавами (табл. 1), а также коррозионная стойкость в различных средах [1–3]. Повышение удельной прочности материала деталей, как известно, ведет к облегчению конструкции, что является одним из основополагающих принципов современных разработок, и отражено в стратегии развития ФГУП «ВИАМ» [4].

Таблица 1

Сравнительные удельные характеристики сплавов на основе Ti, Al, Mg и Fe [5]

В настоящее время наибольшее распространение получили литейные и деформируемые титановые сплавы. Литейные сплавы имеют меньшие прочность, пластичность и сопротивление усталости по сравнению с деформируемыми. Однако у литейных сплавов имеются и неоспоримые преимущества – возможность изготовления из них широкой номенклатуры сложнопрофильных фасонных деталей, а также повышенный (по сравнению с заготовками, обрабатываемыми давлением и последующей механической обработкой) коэффициент использования материала (КИМ). При изготовлении сложных титановых деталей из штампованных заготовок КИМ составляет 0,05–0,15. Применение фасонного литья для получения таких же деталей, или близких к ним по геометрической форме, позволяет повысить КИМ до 0,3 и более [2]. Несмотря на описанные преимущества, внедрение литейных титановых сплавов в машиностроительную отрасль началось гораздо позднее, чем деформируемых. Как известно, титан активно взаимодействует с газами и формовочными материалами в расплавленном состоянии, в связи с этим потребовалась разработка принципиально нового класса оборудования – вакуумного. Проблема взаимодействия с формовочными материалами в настоящее время также решена – формы изготавливают из графита, корунда, магнезита и силикатного песка ‒ материалов, имеющих наименьшее взаимодействие с расплавленным металлом [6].

Литейные характеристики сплавов на основе титана

Возможность применения деталей, изготовленных литьем, для изделий ответственного назначения, в том числе авиационных, зависит не только от уровня их механических характеристик, но и от комплекса литейных свойств выбранного сплава. Основополагающими литейными свойствами являются заполняемость и жидкотекучесть, температурный интервал кристаллизации, линейная и объемная усадка, остаточные макронапряжения.

Титановые сплавы от природы обладают довольно хорошими литейными свойствами. Соответственно двойной диаграмме состояния Ti–Al температурный интервал кристаллизации такой системы небольшой [6, 7]. Легирование сплавов другими элементами оказывает некоторое влияние на температурный интервал кристаллизации [8, 9], но для большинства используемых композиций он обычно не превышает 50–70 °С (табл. 2).

Таблица 2

Температуры ликвидус и солидус литейных титановых сплавов [10]

Жидкотекучесть– характеристика, показывающая способность сплава заполнять форму и определяемая по прекращению течения расплава в каналах специальных проб. Жидкотекучесть титановых сплавов находится приблизительно на уровне жидкотекучести углеродистой стали и наиболее эффективно повышается при легировании титана алюминием. Такие элементы, как цирконий, молибден, ниобий и олово, оказывают незначительное влияние на жидкотекучесть сплавов, а хром, марганец, железо, медь и кремний ухудшают ее.

Практически все литейные титановые сплавы, применяемые в авиа- и машиностроении, имеют близкие значения усадки. Линейная усадка сплавов в среднем составляет 1,5 % при литье в керамическую форму и ~2 % – в металлическую. Объемная усадка составляет ~3 %.

Остаточные напряжения I рода (макронапряжения) оказывают особенно заметное влияние на коробление крупных корпусных отливок. Для того чтобы избежать подобных явлений, на отливке устанавливают технологическую перемычку, препятствующую деформации отливки при извлечении ее из формы. Другой способ избавления от остаточных напряжений – отжиг, стабилизирующий структуру и механические свойства. Отливки, имеющие коробления, также могут быть подвергнуты правке в холодном состоянии или подогретыми до 500 °С с последующим контролем отсутствия трещин [11].

Требования к литейным титановым сплавам и отливкам из них

Как показано ранее, предел прочности и усталостные характеристики литых изделий ниже, чем у деформированных, поэтому для достижения наилучших показателей механических свойств применяют газостатирование при температурах 1000–1150 °C и давлении газа до 100 МПа [6]. За рубежом эту обработку называют газостатическим изотермическим прессованием или горячим изостатическим прессованием (ГИП).
В действительности прессования отливок как такового не происходит. Поэтому появилось другое название этого процесса – высокотемпературная газостатическая обработка (ВГО). При газостатировании залечиваются дефекты литья и измельчается структура, что приводит к улучшению комплекса механических свойств. Оптимальные параметры газостатирования позволяют повысить предел выносливости при циклических нагрузках не менее чем в 1,5‒2 раза [2, 12].

Согласно требованиям ОСТ 1 90060‒92 отливки из титановых сплавов поставляются в литом состоянии без термической обработки, однако по согласованию между Поставщиком и Заказчиком допустима поставка отливок, прошедших обработку ГИП и подвергнутых термообработке. Показатели механических свойств отливок представлены в табл. 3.

Таблица 3

Механические свойства отливок из титановых сплавов

По ОСТ 1 90060‒92 предъявляются требования к дефектам необрабатываемых поверхностей отливок (допускаются дефекты, не превышающие по размеру и количеству указанные в табл. 4) и внутренней пористости (табл. 5) согласно баллу пористости, определяемому по согласованию между Поставщиком и Заказчиком [11].

Таблица 4

Нормы допустимых поверхностных дефектов в отливках из титановых сплавов

Таблица 5

Нормы допустимой внутренней пористости в отливках из титановых сплавов

Характеристики литейных титановых сплавов

Материалы для фасонного титанового литья представлены несколькими классами:

– α-сплавы (ВТ1Л и ВТ5Л);

– псевдо-α-сплавы (ВТ18УЛ, ВТ20Л и ВТ21Л) [13];

– (α + β)-сплавы со сравнительно невысоким количеством β-фазы (ВТ6Л, ВТ8Л, ВТ9Л, ВТ14Л и ВТ3-1Л);

– псевдо-β-сплав ВТ35Л;

– жаропрочные интерметаллидные титановые γ-сплавы (Ti-48-2-2, ВТИ-3Л, ВИТ7Л) [13, 14].

Для литейных титановых сплавов чаще всего применяют два вида термической обработки: отжиг для релаксации напряжений и стабилизации структуры (сплавы псевдо-α- и (α + β)-классов) и старение (псевдо-β-класс, так как сплав ВТ35Л находится в закаленном состоянии после заливки) [7].

Сплав ВТ1Л впервые применен для фасонного литья еще в 1956 г. [2]. Отливки из него обладают низкими прочностными свойства, однако их показатели пластичности наиболее высокие среди других литейных титановых сплавов. Сплав ВТ1Л обладает хорошим комплексом литейных характеристик, а также хорошей свариваемостью. Область его применения – коррозионностойкая арматура для химического производства.

Самым распространенным является α-сплав ВТ5Л, что вызвано отсутствием дорогостоящих и редких элементов в его составе, хорошим комплексом различных механических свойств (ударная вязкость, циклическая выносливость, пластичность), а также высокими литейными свойствами. Значение жидкотекучести сплава ВТ5Л наибольшее среди титановых сплавов [12, 15]. Недостатком сплава является невысокий уровень гарантированной прочности [16, 17]. Отливки из сплава хорошо свариваются и в то же время не склонны к горячему растрескиванию. Область применения сплава – литье фасонных отливок для элементов конструкции самолетов и деталей ГТД, а также для создания сложных сварных конструкций с повышенными требованиями к надежности в условиях эксплуатации. Для стабилизации структуры и снятия остаточных напряжений отливки из сплава ВТ5Л могут подвергаться полному или неполному отжигу.

Сплав ВТ6Л легирован Al и V, поэтому имеет преимущество перед сплавом ВТ5Л по прочностным характеристикам при схожих литейных свойствах и показателях пластичности. Сплав ВТ6Л хорошо сваривается, поэтому его применяют для создания надежных сварных элементов в сочетании с деформированными изделиями из сплава ВТ6, используемых в деталях самолета и авиационных двигателях [2]. Для снятия
остаточных напряжений проводят отжиг, предпочтительнее вакуумный (для предотвращения окисления поверхности и снижения скорости охлаждения), при температуре 700–800 °C.

Все зарубежные сплавы, применяемые для фасонного литья, совпадают по составу с аналогичными деформируемыми сплавами. Наибольшее распространение получил сплав марки Ti-6-4, который является наиболее распространенным титановым сплавом для производства фасонных отливок с начала 1950-х гг., поскольку обладает наилучшим сочетанием прочностных, пластических и технологических свойств. Сплавы, разработанные позднее, превосходят сплав марки Ti-6-4 или по уровню прочности, или по уровню пластичности, или по характеристикам жаропрочности и вязкости разрушения, но ни один из них не имеет таких сбалансированных характеристик, как сплав Ti-6-4. Сплав широко применяется ‒ из него изготавливают различные детали сложной конфигурации.

Сплавы ВТ3-1Л, ВТ9Л и ВТ14Л ‒ двухфазные сплавы с довольно значительным (10–15 % (по массе)) содержанием β-фазы [14]. Первые два сплава обладают повышенной жаропрочностью, в связи с чем их используют в авиационных двигателях для деталей с высокими требованиями к рабочей температуре. Ранее эти детали изготавливали штамповкой из тех же сплавов, поэтому при переходе на литье признано нецелесообразным менять их марку [6].

По аналогичной причине среди титановых сплавов, предназначенных для изготовления отливок, появился сплав ВТ14Л. При разработке данного сплава учитывали необходимость соединения отливок из сплава ВТ14Л с обшивкой из сплава ВТ14 методом сварки плавлением, поскольку использование для изготовления отливок сплава другой марки потребовало бы проведения дополнительных исследований. Для данного сплава характерны повышенные прочностные свойства при сохранении удовлетворительной пластичности и хорошая свариваемость.

Кроме того, для фасонного литья нередко применяется сплав ВТ20Л. Легирование дополнительно Mo и Zr обеспечивает его превосходство по сравнению со сплавом ВТ5Л по прочностным свойствам. При этом сплав отличается хорошими литейными характеристиками и отличной свариваемостью, в том числе и со сплавами других марок. Сплав ВТ20Л используется для изготовления элементов конструкции планера – колец, фланцев, обойм, корпусов, в том числе деталей сложной конфигурации, а также прочих деталей и узлов самолетов и ракетно-космической техники.

Специально разработанный литейный сплав ВТ21Л уступает остальным сплавам по своим литейным свойствам, но превосходит их по прочностным характеристикам [6]. Легирование Zr, Сr и Мо значительно расширяет область кристаллизации сплава и, как следствие, для него характерны пониженная жидкотекучесть и повышенная склонность к порообразованию. Отливки из сплава ВТ21Л обладают повышенным уровнем прочностных характеристик, но их пластичность невелика. Сплав применяется для изготовления отливок простой геометрической формы, используемых в конструкциях, подвергающихся воздействию высоких нагрузок.

Среди литейных титановых сплавов присутствует сплав ВТ23Л, обладающий высокими прочностными характеристиками. Однако сплавы ВТ1Л и ВТ5Л превосходят данный сплав по пластичности. Литейные свойства сплава ВТ23Л также находятся на невысоком уровне. В зависимости от скорости охлаждения структура изделий из сплава ВТ23Л может состоять из α-, β- и αʹʹ-фаз. Изделия, изготовленные из него, применяются в узлах и агрегатах, эксплуатируемых в условиях высоких температур [16, 18].

Из-за высокого содержания β-стабилизаторов в сплаве ВТ35Л при охлаждении после затвердевания сохраняется метастабильная b-структура. Последующее газостатирование и старение обеспечивают высокие прочностные характеристики при сохранении удовлетворительной пластичности, поэтому сплав относят к высокопрочным, с высокой усталостной долговечностью. Технологичность сплава находится приблизительно на одном уровне со сплавом ВТ20Л. Из сплава ВТ35Л могут изготавливать литые высоконагруженные детали для космической и авиационной техники [2, 19].

Из псевдо-α-титанового сплава ВТ18УЛ изготавливают отливки деталей крыльчаток и турбин, температура эксплуатации которых достигает 550 °С. Это связано с его способностью сохранять высокие значения прочностных характеристик даже при повышенных температурах. Литейные свойства сплава высокие благодаря хорошей жидкотекучести и заполняемости [12, 20].

В начале 2000-х гг. во ФГУП «ВИАМ» создан новый титановый литейный сплав ВТ40Л. При его разработке использован принцип экономного легирования, который основан на  применении небольших концентраций легирующих элементов, имеющих сравнительно невысокую стоимость и/или входящих в состав наиболее распространенных лигатур (ВнАл, АМТ, МФТА и т. д.). В таких сплавах также возможно использование доступных «естественных» лигатур ‒ например, ферротитана. Преимуществом такой концепции легирования сплавов является использование отходов титанового производства и лома при выплавке. Сплав ВТ40Л помимо основных легирующих элементов содержит элементы внедрения – углерод и кислород, которые являются сильными упрочнителями. Однако, как известно, элементы внедрения снижают пластичность сплава, в связи с чем во ФГУП «ВИАМ» проведена работа по подбору оптимального содержания кислорода и углерода в сплаве ВТ40Л [21–23] ‒ в результате достигнуты высокие значения надежности и прочностных характеристик в диапазоне рабочих температур (табл. 6). В табл. 7 представлены сравнительные данные о механических свойствах наиболее распространенных литейных титановых сплавов.

Таблица 6

Механические свойства сплава ВТ40Л при различных температурах [6]

Таблица 7

Механические свойства литейных титановых сплавов [8]

Как видно из данных, приведенных в табл. 6 и 7, экономнолегированный литейный титановый сплав ВТ40Л превосходит серийные промышленные сплавы ВТ6Л и ВТ20Л по механическим свойствам. Применение отливок из сплава ВТ40Л взамен отливок из сплавов ВТ6Л и ВТ20Л приведет к заметному увеличению прочности конструкции, повышению сопротивления усталости, а также к снижению массы конструкции.

Сплав предназначен для получения фасонных отливок кронштейнов, корпусов, крыльчаток, турбинных колес и промежуточных опор. Отливки из этого сплава имеют прочность на уровне 1030 МПа и повышенные характеристики многочасовой прочности при сопротивлении усталости, поэтому могут использоваться взамен сплавов ВТ6Л и ВТ20Л.

Во ФГУП «ВИАМ» имеется полный цикл производства литых изделий из сплавов титана, в том числе интерметаллидных, включающее вакуумно-дуговые печи для выплавки слитков массой до 35 кг, участок изготовления керамических форм и вакуумно-индукционную печь с водоохлаждаемым тиглем для литья отливок массой до 2–3 кг, газостат для проведения ГИП (ВГО), а также вакуумные и атмосферные печи для проведения термической обработки. На оборудовании ФГУП «ВИАМ» возможно изготовление отливок практически из любых литейных титановых сплавов, в том числе из сплава ВТ40Л.

Заключения

Литейные титановые сплавы широко востребованы ввиду существенного повышения КИМ при изготовлении сложнопрофильных деталей по сравнению с технологией изготовления деформируемых сплавов даже несмотря на превосходство последних по механическим характеристикам. При необходимости изготовления изделий сложной конфигурации технология обработки давлением существенно уступает литейной технологии. Однако достоинства деформированных изделий очевидны. Литейные характеристики титановых сплавов высоки ввиду природных особенностей сплавов, поэтому при освоении технологии литья не потребовалась разработка сплавов специальных составов – большинство марок сплавов по основным легирующим элементам совпадает с составом деформируемых сплавов. Титановые сплавы хорошо свариваются, поэтому возможно изготовление сложных сварных конструкций из деформированных и литых частей аналогичных по составу сплавов.

В авиастроении наиболее часто используемыми сплавами являются сплавы марок ВТ5Л, ВТ6Л и ВТ20Л. Однако в настоящее время существует сплав, превосходящий по механическим характеристикам и удельным свойствам упомянутые сплавы – это сплав ВТ40Л. Замена авиационных деталей из сплавов ВТ5Л, ВТ6Л и ВТ20Л на аналогичные детали из сплава ВТ40Л может привести к существенному улучшению весовых характеристик и, как следствие, к повышению топливной эффективности. Производителем отливок из сплава ВТ40Л наряду с другими предприятиями отрасли может быть и ФГУП «ВИАМ».

В настоящее время в конструкции авиационных двигателей целесообразно использовать литые лопатки турбины низкого давления из интерметаллидных титановых γ-сплавов взамен лопаток из жаропрочных никелевых сплавов. В связи с этим во ФГУП «ВИАМ» проводятся активные исследования и разработка материалов для такой замены [24–27].