Введение

Создание перспективных воздушных судов и реактивных двигателей нового поколения в равной степени требует применения новых материалов и обеспечения экономической эффективности, что отражено в «Стратегических направлениях развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года», разработанных в ВИАМ [1]. Разработка новых конструкционных материалов направлена в первую очередь на повышение удельных характеристик [2], что связано с постоянно возрастающими требованиями к весовой эффективности конструкций при обязательном условии обеспечения заданного комплекса механических и эксплуатационных свойств материалов. В связи с этим в настоящее время проводятся интенсивные исследования в области гибридных материалов нового класса – слоистых металлополимерных композиционных материалов [3]. Данные композиционные материалы имеют в своей основе тонкие листовые полуфабрикаты из легких сплавов, которые чередуются с препрегами из стекло- или углепластика. Наибольшее развитие в этой области получили так называемые СИАЛы – материалы на основе стеклопластика и алюминия [4, 5]. Помимо алюминиевых сплавов в металлополимерных композиционных материалах используются также сплавы на основе титана, что позволяет существенно повысить удельные прочностные свойства гибридного материала. Кроме того, весовая эффективность конструкций из титан-полимерных композиционных материалов дает возможность обеспечить снижение массы на 20% по сравнению с цельнометаллическими конструкциями из алюминиевых сплавов и слоистых композиционных материалов системы Ti–TiAl₃ [6, 7].

Титановые сплавы обладают непревзойденными удельными характеристиками [8], но к настоящему времени практически все возможности по увеличению прочности и снижению плотности традиционных титановых сплавов исчерпаны [9]. Кроме того, многие высокотехнологичные титановые сплавы (например, сплавы ВТ38, ВТ23, SP-700, Beta CEZ) имеют сложную систему легирования и содержат дефицитные и дорогостоящие элементы. В связи с этим данная работа посвящена разработке новых экономнолегированных титановых сплавов для применения в слоистых гибридных материалах.

Объекты и методы исследования

Композиции опытных экономнолегированных титановых сплавов (табл. 1) определены на основании предварительно проведенных патентно-технических исследований и моделирования с помощью специализированного программного обеспечения JMatPro (Sente Software).

Таблица 1

Номинальный химический состав опытных экономнолегированных

титановых сплавов

Экспериментальные слитки массой ~30 кг выплавляли методом вакуумно-дуговой плавки с расходуемым электродом в печи ALD VAR L200. Для достижения химической и структурно-фазовой однородности слитков применен тройной переплав.

Механические испытания проводили на универсальной испытательной машине Zwick.

Результаты и обсуждение

Концепция «экономного легирования» титановых сплавов основана на выборе таких легирующих элементов, которые имели бы относительно небольшую стоимость и/или входили бы в состав наиболее доступных лигатур. Выполнение данных условий позволяет удешевить процесс производства и, соответственно, снизить себестоимость полуфабрикатов и готовых изделий без существенной потери в механических и эксплуатационных свойствах.

К экономнолегированным титановым сплавам относятся малолегированные сплавы, не содержащие дорогостоящих и/или дефицитных элементов (Mo, Ta, Zr, Nb, W и др.) и имеющие в основе систем легирования относительно дешевые компоненты с технической чистотой (Al, Fe, Cu и т. п.) [8–10]. При шихтовке таких сплавов часто используются доступные «естественные лигатуры» – ферротитан и феррованадий. К преимуществам экономнолегированных титановых сплавов следует также отнести широкие возможности использования лома и отходов титанового производства при выплавке. Сплавы также могут быть легированы микродобавками РЗМ [11].

Однако основными недостатками этой группы сплавов являются недостаточный уровень и нестабильность свойств, вследствие чего в настоящее время они рекомендованы к применению в основном в «наземных объектах» (медицинские имплантаты, детали автомобилей и различные декоративные изделия). В последнее время с развитием металлополимерных композиционных материалов экономнолегированные сплавы титана стали рассматриваться как перспективные листовые сплавы для слоистых титан-полимерных композитов авиационного и космического назначения.

С начала 2000-х гг. в ВИАМ интенсифицированы исследования в области малолегированных титановых сплавов, и уже в 2004 г. получен патент на «Сплав на основе титана и изделие, выполненное из него» [12]. Предложенный новый экономнолегированный сплав содержит железо, азот и кислород в качестве основных легирующих элементов, а также небольшое количество молибдена для упрочнения (в % по массе): Ti – основа, (0,6–1,0) Fe, (0,3–0,6) Mo, (0,3–0,4) O, (0,04–0,05) N. Сплав имеет умеренные прочностные свойства (σ_в=800–890 МПа), хорошую пластичность (d=18,4–26,8%) и повышенную ударную вязкость (KCU=520–560 кДж/м²). Данный сплав рекомендован для применения в изделиях медицинского назначения, так как обладает повышенной биологической инертностью и не содержит токсичных элементов – например ванадия. Однако основным недостатком сплава является его недостаточная низкотемпературная технологичность, что не позволяет изготавливать из него тонколистовые полуфабрикаты. Прочность сплава также недостаточна для применения его в авиационных деталях ответственного назначения.

По состоянию на первую половину 2014 г. можно выделить несколько экономнолегированных титановых сплавов, которые нашли практическое применение в различных областях машиностроительной отрасли (табл. 2).

В данной работе система легирования псевдо-α-сплава выбрана в соответствии с традиционными условиями для данной группы сплавов, т. е. необходимостью создания стабильной гомогенной структуры (>95% (объемн.) α-фазы, до 5% (объемн.) b-фазы) и повышения прочности за счет нейтральных упрочнителей.

Таблица 2

Промышленные и опытные экономнолегированные титановые сплавы

Псевдо-α-сплав выбранной композиции является низколегированным и содержит небольшое количество (до 1,2% по массе) эвтектоидообразующего элемента (Fe) и нейтрального упрочнителя (Zr), а также нетрадиционные α-стабилизаторы – кислород и азот, использование которых взамен обычного α-стабилизатора алюминия позволило не только эффективно стабилизировать α-фазу, но и достичь значительного эффекта растворного упрочнения. В свою очередь легирование элементами внедрения (в основном бором, азотом и/или углеродом, реже – кислородом) приводит к двойному эффекту – растворному упрочнению и дисперсионному твердению за счет выделения частиц боридов, карбидов и оксидов [23–26]. Введение в сплав микродобавок РЗМ (Gd) привело к эффективному модифицированию грубопластинчатой литой структуры.

Группа двухфазных (α+β)-сплавов имеет «классическую» систему легирования Ti–Al–V–Fe: α-стабилизатор – алюминий, изоморфный β-стабилизатор – ванадий, недорогой эвтектоидообразующий β-стабилизатор – железо, а также РЗМ – гадолиний. В отожженном состоянии опытный сплав системы Ti–4,3Al–3(V+Fe)–0,3Gd содержит до 10% (объемн.) стабилизированной β-фазы. Кроме того, композиция сплава имеет существенное технологическое преимущество, так как предоставляется возможность использовать широкую номенклатуру шихтовых материалов, включая недефицитные ферротитан и феррованадий.

Из экспериментальных слитков опытных сплавов с помощью термомеханической обработки (методом осадки) при температурах однофазной β-области получены деформированные полуфабрикаты с суммарной степенью деформации до ~80%. Механические характеристики таких полуфабрикатов представлены в табл. 3.

Таблица 3

Механические свойства опытных экономнолегированных сплавов

(деформированные полуфабрикаты)

Заключение и дальнейшие исследования

Разработаны два опытных экономнолегированных титановых сплава:
псевдо-a-сплав системы Ti–1Fe–1Zr–O–N и (a+b)-сплав системы Ti–(4–5)Al–V–Fe. Сплавы также содержат микродобавки РЗМ (Gd), что приводит к эффективному модифицированию структуры и увеличению механических свойств.

Дальнейшая работа в этой области будет направлена на разработку технологий термомеханической обработки сплавов для получения тонколистовых полуфабрикатов толщиной 0,4–0,8 мм, которые могут быть применены в слоистых титан-полимерных композиционных материалах. Кроме того, требуется разработка нового низкомодульного сплава на основе титана специально для изготовления деталей крепления для таких композитов.