Введение

Повышение усталостной долговечности рабочих лопаток компрессора из титановых сплавов для авиационных газотурбинных двигателей, как правило, достигается технологическими мероприятиями, связанными с повышением чистоты поверхности и (или) совершенствованием методов упрочнения пера лопатки [1–3]. Состояние приповерхностных слоев и эффективность упрочнения методами пластической деформации оказывают значительное влияние на усталостную долговечность готовых лопаток и зависят от множества факторов с учетом так называемой «технологической наследственности», которая может включать режимы механической (электрохимической) обработки, а также метод изготовления штамповки [4–6]. Для высокопрочных титановых сплавов с уровнем прочности σ_в ≥ 1080 МПа, повышенный уровень сжимающих напряжений может оказывать отрицательное влияние на надежность работы рабочих лопаток из-за снижения пластичности и вязкости материала в упрочненном слое. Отметим также, что эффективность методов поверхностного упрочнения снижается с повышением рабочей температуры лопаток из-за ускорения процессов релаксации напряжений. Поэтому одним из очевидных путей повышения усталостной долговечности лопаток представляется замена материала на более прочный, обладающий повышенными характеристиками  сопротивления усталости. С повышением уровня прочности материала процессы поверхностной пластической деформации можно применять в качестве отделочных операций, направленных на повышение чистоты поверхности и образующих небольшие сжимающие напряжения в поверхностном слое. Это значительно упрощает технологию изготовления лопаток на финишных операциях и обеспечивает возможность применения простых и широко распространенных методов пластической деформации.

В НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ (далее – ВИАМ) разработан новый высокопрочный сплав, относящийся к псевдо-α-классу, обеспечивающий сохранение высокого уровня жаропрочности до температур 500–550 °С [7, 8]. В деформируемых полуфабрикатах после двойного отжига сплав обеспечивает прочность на уровне σ_в ≈ 1150 МПа. Высокая прочность сплава обусловлена получением дисперсных структурных составляющих за счет облегчения процесса рекристаллизации, сочетания структурного и интерметаллидного механизмов дисперсионного упрочнения [9–12]. Особенности структурного упрочнения при термической обработке подробно рассмотрены в работах [13, 14], в которых показано, что в результате дораспада прослоек β-фазы образуется высокодисперсная смесь (α + β)-фаз, повышающая прочностные характеристики материала. Применение такого подхода позволяет получать высокий уровень прочности на малолегированных дисперсионно-упрочняемых псевдо-α-сплавах [15, 16].

Задача повышения прочности титановых сплавов, как правило, решается увеличением содержания элементов, стабилизирующих β-фазу [17–19]. Долговечность работы детали, воспринимающей усталостные нагрузки, определяется суммарным временем до появления первичной поверхностной трещины (накопление необратимой повреждаемости по механизму пластической деформации [20–22]) и продолжительностью ее развития. Поэтому воздействие небольших по величине относительно предела прочности циклических напряжений в упругой области на материал с высокой пластичностью (низким уровнем легирования α-фазы) может также способствовать получению высоких характеристики сопротивления усталости, что показано на примере нового двухфазного титанового сплава системы Ti–Al–V–Si–Fe–O, запатентованного в США [23], с содержанием ванадия до 8,5 % (по массе). В новом сплаве ограничено суммарное содержание элементов, стабилизирующих β-фазу (не больше, чем это принято для псевдо-α-сплавов), а также содержание алюминия – на 0,5–1,5 % (по массе) по сравнению с серийными сплавами ВТ3-1, ВТ8, ВТ9 и ВТ20. Это обеспечивает ряд преимуществ – расширение диапазона рабочих температур и отсутствие выраженных ликвационных явлений при кристаллизации крупных слитков вакуумно-дугового переплава. Высокая прочность и дисперсность составляющих структуры, снижение уровня легирования α-фазы алюминием, снижение содержания кремния по сравнению с серийными сплавами ВТ3-1, ВТ8 и ВТ9 оказывают положительное влияние на характеристики сопротивления усталости материала, что открывает перспективы применения нового сплава для деталей, испытывающих повторно-статические и усталостные нагрузки.

В данной статье приведены результаты исследований нового жаропрочного титанового сплава псевдо-α-класса, рассматриваемого для применения в качестве материала рабочих лопаток компрессора с рабочей температурой до 450–550 °С взамен серийных сплавов ВТ3-1, ВТ8, ВТ8М-1 ВТ9 и ВТ20. Основное внимание уделено сравнению нового сплава со сплавами ВТ9 (наиболее высокопрочный серийный двухфазный жаропрочный сплав для изготовления лопаток), ВТ20 (сплав-аналог по классу) и ВТ8.

Материалы и методы

В качестве материалов для проведения исследований использованы результаты контрольных испытаний серийных изделий (прутков и штамповок лопаток) из сплавов ВТ3-1, ВТ8, ВТ8М-1, ВТ9 и ВТ20, а также опытно-промышленных и опытных прутков и штамповок из нового сплава [24–26]. Химический состав сплавов, выраженный в структурных эквивалентах по содержанию алюминия и молибдена [27], количество плавок, а также содержание алюминия, кремния и углерода приведены в табл. 1. Расчет эквивалентов промышленных сплавов и полуфабрикатов проводили для каждой плавки по усредненному значению от результата определения содержания легирующих элементов и примесей между верхом и низом слитка; для опытных слитков из нового сплава, изготовленных в ВИАМ, – по результатам однократного химического анализа стружки, отобранной после предварительной механической обработки слитков.

Таблица 1

Химический состав титановых сплавов

В работе использовали катаные прутки диаметром до 35 мм и штамповки лопаток габаритов «М», «С» и «К» из сплавов ВТ3-1, ВТ8М-1 и ВТ9 (рис. 1 и 2), катаные прутки диаметром 18; 35 и 48 мм из нового сплава, изготовленные в условиях металлургического и машиностроительных предприятий, а также кованые прутки диаметром до 45 мм, изготовленные в ВИАМ (рис. 3).

Рис. 1. Типичная микроструктура катаных прутков (а) и штамповок лопаток габарита «М» (б)
из сплава ВТ9 в отожженном состоянии (R – радиус прутка)

Рис. 2. Темплеты из штамповок габарита «К» из сплавов ВТ8 и нового сплава (а); микроструктура штамповок габарита «К», изготовленных методом термомеханической обработки, из сплавов ВТ3-1 (б) и ВТ8 (в), а также из нового сплава (г)

Рис. 3. Схемы изготовления прутков и штамповок из нового сплава (а), типичная микроструктура кованых и катаных прутков (б–г)

Отдельные результаты по штамповкам габарита «С» из нового сплава и серийных сплавов марок ВТ9 и ВТ8М-1 получены на штампованных заготовках в ВИАМ из исходных катаных прутков диаметром 35 мм (рис. 4).

Рис. 4. Штамповки лопаток габарита «М» (образцы-свидетели) из сплава ВТ8М-1 после
термомеханической обработки

Основной объем характеристик механических свойств штамповок лопаток габарита «С» из сплава ВТ20 и нового сплава определяли на штамповке, показанной на рис. 5.

Рис. 5. Штамповка лопатки габарита «С» из нового сплава после термомеханической обработки (аналогичные штамповки изготавливают серийно из сплава ВТ20)

При отжиге деформированных полуфабрикатов из сплава ВТ20 применяется одноступенчатый отжиг при относительно низких температурах [28], поэтому структура прутков и штамповок определяется в основном предшествующей деформацией. Микроструктура прутков и штамповок из сплава ВТ20 приведена на рис. 6, для катаных прутков характерна аналогичная микроструктура.

Рис. 6. Типичная микроструктура штамповок из сплава ВТ20 габарита «С» в отожженном состоянии (а) и после термомеханической обработки (б)

Механические свойства поковки из нового сплава определяли на темплете длиной 225 мм, вырезанном из поковки исходного размера 350´145´50 мм, изготовленной в ВИАМ. Штамповки лопаток габарита «К» из сплава ВТ8 и нового сплава изготовлены в ВИАМ по одной технологической схеме из исходных крупногабаритных кованых прутков диаметром 150–155 мм, произведенных на металлургическом предприятии [29, 30]. Для сравнительного анализа механических свойств также использованы результаты контрольных испытаний металлургической продукции, проводимые предприятиями в соответствии с государственными стандартами и действующей нормативной документацией на продукцию. Испытания механических свойств на растяжение и ударную вязкость проводили на стандартных образцах. Многоцикловую усталость определяли на образцах с диаметром рабочей части 7,5 мм, испытания проводили при частоте 50 Гц. Результаты испытаний для сплава ВТ3-1 получены на материале нескольких поковок сечением до 45 мм, изготовленных по схожей технологической схеме и отожженных по режиму изотермического отжига с переносом в печь, нагретую до температуры 550 °С, после выдержки на высокотемпературной ступени. Образцы из поковок сплава ВТ3-1 и нового сплава вырезали в продольном (радиальном) или поперечном (хордовом) направлениях. Внешний вид изделий и микроструктура материала приведены на рис. 7.

Рис. 7. Внешний вид и микроструктура материала поковок из нового сплава (а) и сплава ВТ3-1 (б)

Результаты и обсуждение

Результаты испытаний механических свойств с указанием вида полуфабриката и состояния материала (метода изготовления) приведены: в табл. 2 – для сплава ВТ3-1, в табл.  3 – для сплава ВТ8, в табл. 4 – для сплава ВТ8М-1, в табл. 5 – для сплава ВТ9, в табл. 6 – для сплава ВТ20, в табл. 7 и 8 – для нового сплава.

Таблица 2

Механические свойства полуфабрикатов из сплава ВТ3-1

Таблица 3

Механические свойства полуфабриката из сплава ВТ8

Таблица 4

Механические свойства полуфабрикатов из сплава ВТ8М-1

Таблица 5

Механические свойства полуфабрикатов из сплава ВТ9

Таблица 6

Механические свойства полуфабриката из сплава ВТ20

Таблица 7

Механические свойства полуфабрикатов из нового сплава

Оценивая механические свойства катаных и кованых прутков из нового сплава в отожженном состоянии (табл. 7), можно сделать вывод о схожем уровне механических свойств. Аналогичная картина наблюдается по штамповкам лопаток габарита «К», изготовленным методом термомеханической обработки, и поковке сечением 50 мм в отожженном состоянии, поэтому полученные результаты объединены в две выборки по пруткам и поковкам (табл. 8).

Таблица 8

Обобщенные данные по механическим свойствам прутков мелкого сорта

и поковкам из нового сплава

Визуально сопоставить уровень прочности при комнатной температуре и объем выборки по результатам испытаний различных полуфабрикатов из рассматриваемых сплавов можно по точечным диаграммам (рис. 8). Диаграммы построены в одинаковом масштабе по оси ординат, на которой отложены значения кратковременной прочности; по оси абсцисс – количество испытаний.

Рис. 8. Прочность полуфабрикатов из титановых сплавов

Результаты испытаний на многоцикловую усталость гладких образцов прутков и штамповок из нового сплава при комнатной температуре приведены на рис. 9.

Рис. 9. Результаты испытаний на многоцикловую усталость гладких образцов прутков и штамповок из нового сплава: заштрихованные точки – образцы разрушены; точки, обозначенные контуром, – образцы сняты без разрушения

В табл. 9 приведены уравнения логарифмической регрессии, построенной по разрушенным образцам, а также погрешность аппроксимации.

Таблица 9

Результаты регрессионного анализа испытаний на многоцикловую усталость

Данные, представленные в табл. 1, позволяют получить усредненную оценку уровня легирования жаропрочных титановых сплавов. Новый сплав при несколько большем уровне легирования в структурном эквиваленте по алюминию содержит на ~0,5 % (по массе) меньше алюминия. Заметим, что фактическое содержание алюминия, олова и циркония в различных структурных составляющих может варьироваться.

Представленные в данной статье титановые сплавы обладают глобулярно-пластинчатой микроструктурой (рис. 1–6) независимо от вида полуфабриката и метода изготовления штамповок лопаток. Следует обратить внимание на дисперсность частиц превращенной α-фазы нового сплава (рис. 3, 5 и 7). При оценивании химического состава жаропрочных титановых сплавов по содержанию алюминия, углерода, кремния (табл. 1) необходимо подчеркнуть, что новый сплав при более низком содержании алюминия и кремния (по сравнению со сплавами ВТ3-1, ВТ8 и ВТ9), обладает бо́льшим уровнем легирования α-твердого раствора. Содержание кремния в сплаве несколько больше, чем в сплаве ВТ8М-1, но заметно меньше, чем у упомянутых ранее серийных сплавов.

На примере серийных катаных прутков мелкого сорта и штамповок лопаток габарита «М» из сплава ВТ9 видно, что уровень прочности на штамповках лопаток может быть меньше, чем на исходных прутках. При штамповке лопаток при температуре двухфазной области по типовой технологии суммарная деформация по перу лопатки может составлять 150–200 % и более, что увеличивает дисперсность структурных составляющих и, следовательно, прочность материала. Тем не менее наблюдаемая для сплава ВТ9 ситуация противоположна ‒ зачастую прочность материала штамповок лопатокменьше, чем у исходного прутка мелкого сорта. Данный факт можно объяснить условиями проведения термической обработки прутков и партий лопаток: контроль прутков мелкого сорта в соответствии с нормативной документацией осуществляют на мерных заготовках под образцы, вырезанных из прутка и отожженных в лабораторных печах. Штамповки лопаток отжигают и охлаждают партиями, причем создают условия для замедленного охлаждения для исключения коробления. Условия охлаждения после первой ступени отжига (обработка на твердый раствор) оказывают заметное влияние на прочность двухфазных жаропрочных титановых сплавов. В целом для прутков мелкого сорта характерен достаточно большой разброс по значениям механических свойств. Серийные катаные прутки, изготавливаемые на металлургическом предприятии, диаметром 16 мм и менее обладают более высокими показателями прочности по сравнению с прутками бо́льших диаметров (нормы по уровню прочности прутков в отраслевом стандарте установлены для двух диапазонов размеров: от 10 до 35 мм и от 35 до 60 мм). В рассматриваемых выборках по серийным катаным пруткам из сплавов ВТ8М-1 и ВТ9 заметна большая дисперсия по прочностным характеристикам, что можно объяснить не только колебаниями химического состава и структуры материала, но и различием в скоростях охлаждения заготовок в зависимости от диаметра прутка (для диапазона диаметров 10–35 мм).

Сплав ВТ3-1 является наиболее легированным b-стабилизаторами (содержит изоморфный элемент молибден и эвтектоидные элементы – хром и железо) среди рассматриваемых в данной статье сплавов. Двойной отжиг, применяемый для двухфазных жаропрочных сплавов, в случае сплава ВТ3-1 заменен изотермическим, а температура первой ступени несколько занижена относительно температуры полного полиморфного превращения в сравнении с другими сплавами, что связано с опасностью «подкалки» материала. Заготовки из прутков мелкого сорта сплава ВТ3-1 охлаждают с печью до температуры старения, а затем штамповки и поковки переносят после высокотемпературной ступени отжига в печь, нагретую до температуры старения, тем самым искусственно снижая скорость охлаждения.

На прутках мелкого сорта уровень прочности, как правило, больше, чем на поковках, что в значительной мере является следствием более мелкозернистой структуры материала катаных прутков. Для относительно простых двухфазных псевдо-α- и (α + b)-сплавов типа ОТ4, ВТ6 и ВТ20 чувствительность к высоким скоростям охлаждения, реализуемым при охлаждении на воздухе (вероятность «подкалки»), крайне мала и не приводит к существенному снижению значений пластичности и ударной вязкости. Новый сплав после двойного отжига как на материале кованых и катаных прутков сечением 18–48 мм, так и на материале поковки сечением 50 мм  демонстрирует одинаковый уровень прочности и пластичности, что свидетельствует о технологичности нового сплава применительно к операции термической обработки. В среднем для прутков и штамповок в отожженном состоянии уровень прочности нового сплава возрастает на 70 МПа по сравнению со значениями для сплава ВТ9 (рис. 10 и 11).

Рис. 10. Средний уровень прочности прутков и штамповок лопаток габаритов «М» и «С»

Метод термомеханической обработки при изготовлении штамповок лопаток габарита «С» из нового сплава позволяет достигнуть уровня прочности ~1200 МПа, при этом на отдельных образцах прочность материала остается на уровне прочности сплава в отожженном состоянии (рис. 8). Тем не менее повышение уровня кратковременной прочности (по сравнению с отожженным состоянием) обеспечивает прирост значений по пределу выносливости материала – с 580 до ~630 МПа для базы 2×10⁷ циклов (рис. 9, табл. 10). Для более крупных штамповок лопаток и поковок следует ожидать такого же значения предела выносливости, как и на прутках (рис. 10, табл. 10), так как материал этих полуфабрикатов находится на одном уровне прочности. Для базы испытаний до 2×10⁶ циклов материал крупных штамповок, изготовленных методом термомеханической обработки, обеспечивает больший предел выносливости.

Рис. 11. Средний уровень прочности крупногабаритных штамповок лопаток и поковок сечением до 50 мм

Таблица 10

Пределы выносливости для штамповок лопаток из титановых сплавов

по результатам испытаний и научно-техническим литературным данным [30, 31]

Рассматривая особенности химического состава и микроструктуры нового сплава, можно констатировать, что более высокий уровень легирования α-фазы, дисперсность структурных составляющих, наличие кремния и углерода в составе сплава определяют высокий уровень прочности как при комнатной, так и при повышенных температурах, а также предел выносливости деформированных полуфабрикатов из нового сплава. При этом характеристики пластичности и ударной вязкости материала в среднем несколько меньше, чем у двухфазных сплавов, однако они стабильны и находятся на достаточно высоком уровне.

Вероятным путем повышения характеристик пластичности и ударной вязкости может быть нахождение оптимального соотношения содержания кислорода, алюминия, углерода и кремния. Отметим, что в структуре материала опытно-промышленной партии прутков из нового сплава наблюдается глобулярная α-фаза различного размера [32]. Более крупные частицы α-фазы (рис. 2 и 5) образованы на операциях вытяжки крупногабаритного прутка (из-за нагрева материала до температур, близких к температуре полного полиморфного превращения) и наследовались вплоть до получения конечных полуфабрикатов. Данная структурная неоднородность свидетельствует о необходимости корректировки режимов нагрева промежуточных полуфабрикатов под деформацию. Несмотря на наличие крупноглобулярных частиц в структуре материала, на опытно-промышленных прутках и штамповках уровень механических свойств материала существенно не отличался от уровня свойств опытных прутков и поковок с однородной глобулярно-пластинчатой микроструктурой. Это свидетельствует о превалировании влияния морфологии вторичной α-фазы, т. е. структурного дисперсионного упрочнения, на уровень механических свойств нового сплава. Поэтому преимуществом нового сплава является не только больший уровень прочности и выносливости, но и простота и стабильность в достижении этих показателей путем термической обработки по режиму двойного отжига. Метод термомеханической обработки при изготовлении штамповок лопаток из нового сплава обеспечивает повышение прочностных характеристик материала, включая многоцикловую усталость. Композиция нового сплава позволяет частично заменить алюминий кислородом, что дополнительно облегчает процессы рекристаллизации и сфероидизации, а также повышает технологичность материала при горячей деформации. Отметим, что из-за ограниченного содержания b-стабилизаторов (по сравнению с двухфазными сплавами) новый сплав в меньшей степени подвержен короблению после операции калибровки при охлаждении на воздухе. Наличие в сплаве углерода и кислорода, а также сниженное содержание алюминия позволили получить широкий интервал температур горячей деформации при изготовлении промежуточных полуфабрикатов этим методом при температурах двухфазной области.

Оценивая механические свойства серийных сплавов отметим, что сплав ВТ8М-1 среди рассматриваемых сплавов обладает наилучшими показателями пластичности и ударной вязкости, характеризующими надежность материала. Значительное количество значений результатов испытаний находится на уровне выше среднего ‒ σ_в ≥ 1034 МПа, что свидетельствует о потенциальной возможности повышения прочности сплава за счет корректировки режимов термической и термомеханической обработки. Штамповки лопаток из сплава ВТ8 отличает высокая стабильность показателей механических свойств, что характерно и для других видов полуфабрикатов из этого сплава. Сплавы ВТ3-1 и ВТ9, обладая бо́льшим уровнем прочности, подвержены высокой дисперсии значений механических свойств. Для этих сплавов большое значение имеют режимы и условия проведения термической обработки, они имеют склонность к достариванию при температурах эксплуатации [13, 30, 33]. Для нового сплава применяется режим старения при бо́льших температурах с увеличенным временем выдержки при сниженном содержании кремния и алюминия, состояние твердых растворов в нем более стабильно.

Заключения

Сравнительный анализ механических свойств прутков, штамповок лопаток и поковок из нового сплава в отожженном состоянии и после термомеханической обработки и старения свидетельствует о повышенном уровне прочности полуфабрикатов из нового сплава. Особенности композиции и структуры, а также высокий уровень прочности обеспечивают прирост предела выносливости, что показано на примере прутков в отожженном состоянии и штамповок лопаток, изготовленных методом термомеханической обработки. Свойства сплава достаточно стабильны благодаря технологичности материала на операциях горячей деформации и термической обработки при температурах двухфазной области. Это открывает широкие перспективы его применения в деталях, воспринимающих высокие повторно-статические и усталостные нагрузки при температурах до 500–550 °С.