ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ НАГРУЖЕНИЯ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖАРОПРОЧНЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Статьи

 




dx.doi.org/ 10.18577/2307-6046-2015-0-3-4-4
УДК 620.172.254:669.018.44:669.295
А. Н. Савушкин, О. С. Кашапов, С. А. Голынец
ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ НАГРУЖЕНИЯ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖАРОПРОЧНЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Работа посвящена исследованию влияния условий нагружения на механические свойства жаропрочных титановых (α+β)- и псевдо-α-титановых сплавов ВТ18У, ВТ41, ВТ8 и ВТ8М-1. Проведены испытания при растяжении образцов с различной скоростью нагружения при 20°С и при максимальных рабочих температурах для каждого сплава на испытательной машине TIRA-test 2300/1. Установлено, что в зависимости от степени легирования жаропрочные титановые сплавы обладают различной чувствительностью к скорости нагружения.

Ключевые слова: титановые сплавы, испытания при растяжении, микроструктура, механические свойства

Введение

Авиационное материаловедение играет значительную роль в развитии авиации и является существенным фактором при создании новых моделей авиационной и космической техники. С целью упорядочения и выбора наиболее важных направлений развития материаловедения, в ВИАМ разработаны «Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» [1], где большое внимание уделено, в том числе, и титановым сплавам [1–4].

Жаропрочные титановые сплавы широко применяются для изготовления деталей авиационных ГТД, включая рабочие лопатки компрессора [5–10]. В отраслевой документации регламентируется методика проведения контрольных испытаний при растяжении в соответствии с требованиями ГОСТ Р 1497 и ГОСТ Р 9651, а также ОСТ1 90002 «Лопатки штампованные из титановых сплавов. Технические требования», где дополнительно оговорено, что скорость передвижения захватов при растяжении образцов должна быть 0,4–0,6 от расчетной длины образца. Для контроля механических свойств на готовых деталях или в случае малогабаритных размеров лопаток возможно использование нестандартных образцов, не регламентированных ГОСТ. Исследование влияния параметров испытаний на характеристики механических свойств жаропрочных титановых сплавов, применяемых для изготовления лопаток, позволит оценить фактическое различие в результатах испытаний при разных условиях их проведения, а также определить чувствительность механических свойств того или иного сплава в зависимости от степени его легирования.

Материалы и методы

Исследования проводили на катаных прутках из сплавов ВТ8 и ВТ18У, изготовленных по ОСТ1 90006, в отожженном состоянии; на лопатках из сплава ВТ8М-1 габарита «К», изготовленных по ОСТ1 90002, в отожженном состоянии; на прутках диаметром 22 мм и штамповках лопаток габарита «Мг» из сплава ВТ41 в отожженном состоянии. Микроструктура материалов приведена на рис. 1.

 

  Рис. 1. Микроструктура полуфабрикатов из сплавов ВТ8 (а), ВТ8М-1 (б), ВТ18У (в) и ВТ41 (г)

 

Микроструктура является типичной для данных сплавов и полуфабрикатов [11–14]: для прутков и лопаток из сплавов ВТ8, ВТ8М-1 и ВТ41 – глобулярно-пластинчатого типа, для прутков из сплава ВТ18У – пластинчатая.

Испытания проводили на испытательной машине TIRA-test 2300/1 при комнатной температуре, а также при повышенных температурах: 450°С – для сплавов ВТ8, ВТ8М-1, 600°С – для сплавов ВТ18У и ВТ41 (по ГОСТ Р 1497 и ГОСТ Р 9651). Механические свойства сплавов приведены в табл. 1.

                                                                                                                                                                                              Таблица 1

Механические свойства сплавов ВТ41, ВТ18У, ВТ8 и ВТ8М-1 (стандартные образцы)

Сплав

V,

мм/мин

       

Тисп,

°С

σв,

МПа

δ

ψ

МПа

%

%

ВТ18У

2

1005

910

11

28

600

725

12,5

41

5

980

910

10

28

600

745

11,5

38

10

985

915

8,5

28

600

700

10

35

ВТ41

2

995

920

20,5

42

600

645

32

75

5

1025

950

16,5

42

600

640

30

74

10

1015

950

16

43

600

650

28

74

ВТ8

2

1065

985

17

52

450

805

16

63

5

1090

1030

12

44

450

795

14

64

10

1075

1000

12,5

41

450

775

16

67

ВТ8М-1

2

1070

980

14

44

450

780

11

44

5

1060

980

15

46

450

820

13

62

10

1075

1000

12,5

37

450

780

16

65

 

Результаты и обсуждение

По результатам испытаний механических свойств рассматриваемых жаропрочных титановых сплавов установлено, что они обладают различной чувствительностью к скорости нагружения. Для объяснения выявленных различий более подробно рассмотрим композиции сплавов по уровню легирования α- и β-твердых растворов основными легирующими элементами. Диаграмма, на которой сплавы распределены в зависимости от уровня легирования β-стабилизаторами, выраженного через структурный молибденовый эквивалент ([Mo]экв) [15], представлена на рис. 2.

 Рис. 2. Уровень легирования титановых сплавов β-стабилизаторами, выраженный через структурный эквивалент по молибдену ([Mo]экв)

Значения структурного эквивалента по алюминию ([Al]экв), характеризующие сплавы с точки зрения степени легирования α-твердого раствора, и структурного эквивалента по молибдену ([Mo]экв), а также содержание Si – одного из наиболее значимых легирующих элементов жаропрочных титановых сплавов, приведены в табл. 2.

Таблица 2

Уровень легирования жаропрочных титановых сплавов

Характеристика

Значения характеристик для сплавов

ВТ18У

ВТ41

ВТ8

ВТ8М-1

[Al]экв, %

9,3

8,7

8,3

5,9

[Mo]экв, %

1,0

2,2

3,4

3,75

Содержание Si, % (по массе)

0,15

0,3

0,3

0,2

Закономерности изменения характеристик кратковременной прочности при комнатной температуре представлены на рис. 3.

Прочностные характеристики сплавов в условиях испытаний при растяжении при 20°С с увеличением скорости нагружения от 2 до 10 мм/мин возрастают. Наиболее чувствительной характеристикой является относительное удлинение, величина которого заметно изменяется для сплавов с бо́льшим содержанием кремния (ВТ41 и ВТ8). По относительному сужению наибольшую чувствительность проявили (α+β)-сплавы (ВТ8, ВТ8М-1). Среди рассматриваемых сплавов сплав ВТ8 оказался наиболее чувствительным к условиям испытаний, наименее чувствительным – сплав ВТ18У, что, вероятно, обусловлено отличием типа микроструктуры (пластинчатая) от остальных сплавов (глобулярно-пластинчатая) и, как следствие, минимальными значениями пластичности этого материала.

 

Рис. 3. Механические свойства сплавов ВТ18У (), ВТ41 (), ВТ8 () и ВТ8М-1 () при 20°С в зависимости от скорости перемещения захватов при растяжении:

а – предел текучести; б – предел прочности; в – относительное удлинение; г – относительное сужение

 

На рис. 4 представлены закономерности изменения характеристик механических свойств при повышенных температурах (450°С – для сплавов ВТ8 и ВТ8М-1, 600°С – для сплавов ВТ18У и ВТ41).

При повышенных температурах прочностные характеристики рассматриваемых сплавов практически не изменяются. Характеристики пластичности сплавов ВТ8, ВТ41 и ВТ18У также практически не зависят от скорости нагружения при повышенных температурах. Для сплава ВТ8М-1 наблюдается повышение величины относительного сужения. Как известно, β-фаза с ОЦК кристаллической ячейкой является более пластичной и менее жаропрочной по сравнению с α-фазой с ГП ячейкой. Степень ее упрочнения будет определяться уровнем легирования, наибольший вклад в который вносит элемент внедрения – кремний. Это, вероятно, объясняет рост относительного сужения в сплаве ВТ8М-1 – с наибольшим содержанием стабильной β-фазы при наименьшем ее легировании кремнием.

Рис. 4. Механические свойства сплавов ВТ18У (), ВТ41 (), ВТ8 () и ВТ8М-1 () при повышенных температурах в зависимости от скорости перемещения захватов при растяжении (450°С – для (α+β)-сплавов ВТ8 и ВТ8М-1, 600°С – для псевдо-α-сплавов ВТ18У и ВТ41):

а – предел прочности; б – относительное удлинение; в – относительное сужение

Рассмотрим влияние типа образца на результаты испытаний механических свойств на примере сплава ВТ41. Для испытаний были изготовлены нестандартные образцы из малогабаритной штамповки лопатки и прутка, с меньшим диаметром и расчетной длиной рабочей части.

Результаты испытаний при растяжении при скорости передвижения захватов V=10 мм/ мин приведены в табл. 3.

Таблица 3

Механические свойства нестандартных образцов (при V=10 мм/мин)

Материал

       

, МПа

   

МПа

%

%

Пруток, штамповка

лопатки из сплава ВТ41

1050

970

14,5

40

640

21,5

71

1065

975

18,5

39

640

19,5

68

1045

975

11

32

690

17,5

60

1025

965

13,5

36

640

16

59

 

Сравнительные результаты испытаний стандартных и микрообразцов приведены в табл. 4.

Таблица 4

Механические свойства прутков и штамповок лопаток из сплава ВТ41

при испытании стандартных и микрообразцов

Образец

       

, МПа

   

МПа

%

%

Нестандартный

(d0=3 мм, l0=8 мм)

1045

970

14,5

37

650

18,5

64

По ГОСТ

(d0=5 мм, l0=25 мм)

1015

950

16

43

650

28

74

 

По данным табл. 4 видно, что практически все характеристики механических свойств, за исключением кратковременной прочности при 600°С, изменяются в зависимости от вида образца. Как отмечалось ранее, при испытаниях титановых сплавов регламентируют скорость передвижения захватов испытательной машины, которую связывают с расчетной длиной образца. Скорость перемещения захватов (в мм/мин) не должна превышать 0,6 от расчетной длины образца. При скорости 10 мм/мин для стандартного образца этот коэффициент равен 0,4, для нестандартного микрообразца: 1,25. При таких условиях испытания в случае сплава ВТ41 пластическая деформация материала не успевает протекать в полной мере, что приводит к снижению относительного удлинения и сужения в рабочей части образца. Для прутков из сплава ВТ41 было экспериментально установлено, что при снижении скорости передвижения захватов до величины 2 мм/мин значения относительного удлинения и сужения возрастают на 3–8%.

 

Заключение

С увеличением скорости передвижения захватов с 2 до 10 мм/мин характеристики прочности при комнатной температуре возрастают, а характеристики пластичности – снижаются, причем это более заметно по величине относительного удлинения. С повышением температуры испытаний наиболее чувствительными характеристиками к скорости нагружения являются характеристики пластичности. Чувствительность сплавов к скорости нагружения возрастает с увеличением степени легирования
β-стабилизаторами.


ЛИТЕРАТУРА REFERENCE LIST
1. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7–17.
2. Тарасов Ю.М., Антипов В.В. Новые материалы ВИАМ – для перспективной авиационной техники производства ОАО «ОАК» //Авиационные материалы и технологии. 2012. №2. С. 5–6.
3. Шмотин Ю.Н., Старков Р.Ю., Данилов Д.В., Оспенникова О.Г., Ломберг Б.С. Новые материалы для перспективного двигателя ОАО «НПО “Сатурн”» //Авиационные материалы и технологии. 2012. №2. С. 6–8.
4. Кашапов О.С., Павлова Т.В., Ночовная Н.А. Влияние режимов термической обработки на структуру и свойства жаропрочного титанового сплава для лопаток КВД //Авиационные материалы и технологии. 2010. №2. С. 8–14.
5. Ночовная Н.А., Панин П.В. Анализ остаточных макронапряжений в сварных соединениях титановых сплавов разных классов //Труды ВИАМ. 2014. №5. Ст. 02 (viam-works.ru).
6. Ерасов В.С., Яковлев Н.О., Нужный Г.А. Квалификационные испытания и исследования прочности авиационных материалов //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 440–448.
7. Моисеев В.Н. Высокопрочные титановые сплавы для авиакосмической техники /В сб. Авиационные материалы. Избранные труды «ВИАМ» 1932–2002. Юбилейный науч.-технич. сб. /Под общ. ред. Е.Н. Каблова. 2002. С. 115–121.
8. Каблов Е.Н. Материалы для изделия «Буран» – инновационные решения формирования шестого технологического уклада //Авиационные материалы и технологии. 2013. №S1. С. 3–9.
9. Кашапов О.С., Новак А.В., Ночовная Н.А., Павлова Т.В. Состояние, проблемы и перспективы создания жаропрочных титановых сплавов для деталей ГТД //Труды ВИАМ. 2013. №3. Ст. 02 (viam-works.ru).
10. Хорев А.И., Белов С.П., Глазунов С.Г. Металловедение титана и его сплавов. М.: Металлургия. 1992. 352 с.
11. Способ термической обработки высокопрочных (α+β)-титановых сплавов: пат. 2465366 Рос. Федерация; опубл. 15.09.2011 (Каблов Е.Н.)
12. Способ термомеханической обработки изделий из титановых сплавов: пат. 2457273 Рос. Федерация; опубл. 05.04.2011 (Каблов Е.Н.)
13. Горынин И.В., Кудрявцев А.С., Ушков С.С. и др. Опыт изготовления слитков массой до 17 тонн из псевдо-альфа сплавов //Титан. 2013. №2. С. 23–28.
14. Горынин И.В., Ушков С.С., Баранов А.В., Михайлов В.И., Ушаков Б.Г. Титановые сплавы для конструкций морского применения //Морские интеллектуальные технологии. 2009. №4. С. 61–66.
15. Ilyin A., Kolachev B., Volodin V., Ryndenkov D. About the purposefulness of comprasion of titanium alloys in terms of aluminium and Molybdenium equivalents /In: Titanium–99. Science and technology. 1999. P. 53–60.
1. Kablov E.N. Strategicheskie napravlenija razvitija materialov i tehnologij ih pererabotki na period do 2030 goda [Strategic directions of development of materials and technologies to process them for the period up to 2030] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 7–17.
2. Tarasov Ju.M., Antipov V.V. Novye materialy VIAM – dlja perspektivnoj aviacionnoj tehniki proizvodstva OAO «OAK» [New materials VIAM - for promising aviation equipment produced by JSC «UAC»] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №2. S. 5–6.
3. Shmotin Ju.N., Starkov R.Ju., Danilov D.V., Ospennikova O.G., Lomberg B.S. Novye materialy dlja perspektivnogo dvigatelja OAO «NPO “Saturn”» [New materials for advanced engine JSC «NPO „Saturn”»] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №2. S. 6–8.
4. Kashapov O.S., Pavlova T.V., Nochovnaja N.A. Vlijanie rezhimov termicheskoj obrabotki na strukturu i svojstva zharoprochnogo titanovogo splava dlja lopatok KVD [Effect of heat treatment on the structure and properties of heat-resistant titanium alloy blades for HPC] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2010. №2. S. 8–14.
5. Nochovnaja N.A., Panin P.V. Analiz ostatochnyh makronaprjazhenij v svarnyh soedinenijah titanovyh splavov raznyh klassov [Analysis of residual macroscopic stresses in welded joints of titanium alloys of different classes] //Trudy VIAM. 2014. №5. St. 02 (viam-works.ru).
6. Erasov V.S., Jakovlev N.O., Nuzhnyj G.A. Kvalifikacionnye ispytanija i issledovanija prochnosti aviacionnyh materialov [Qualification testing and research strength of aircraft materials] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 440–448.
7. Moiseev V.N. Vysokoprochnye titanovye splavy dlja aviakosmicheskoj tehniki [High-strength titanium alloys for aerospace engineering] /V sb. Aviacionnye materialy. Izbrannye trudy «VIAM» 1932–2002. Jubilejnyj nauch.-tehnich. sb. /Pod obshh. red. E.N. Kablova. 2002. S. 115–121.
8. Kablov E.N. Materialy dlja izdelija «Buran» – innovacionnye reshenija formirovanija shestogo tehnologicheskogo uklada [Materials for the product «Buran» – innovative solutions forming the sixth technological order] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2013. №S1. S. 3–9.
9. Kashapov O.S., Novak A.V., Nochovnaja N.A., Pavlova T.V. Sostojanie, problemy i per-spektivy sozdanija zharoprochnyh titanovyh splavov dlja detalej GTD [Status, problems and prospects of creating heat-resistant titanium alloys for GTE parts] //Trudy VIAM. 2013. №3. St. 02 (viam-works.ru).
10. Horev A.I., Belov S.P., Glazunov S.G. Metallovedenie titana i ego splavov [Physical metallurgy of titanium and its alloys]. M.: Metallurgija. 1992. 352 s.
11. Sposob termicheskoj obrabotki vysokoprochnyh (α+β)-titanovyh splavov [A method of heat treatment of high (α+β) alloy titanic]: pat. 2465366 Ros. Federacija; opubl. 15.09.2011.
12. Sposob termomehanicheskoj obrabotki izdelij iz titanovyh splavov [Method of thermome-chanical processing of titanium alloys]: pat. 2457273 Ros. Federacija; opubl. 05.04.2011.
13. Gorynin I.V., Kudrjavcev A.S., Ushkov S.S. i dr. Opyt izgotovlenija slitkov massoj do 17 tonn iz psevdo-al'fa splavov [Experience of producing ingots weighing up to 17 tons of pseudo-alpha alloys] //Titan. 2013. №2. S. 23–28.
14. Gorynin I.V., Ushkov S.S., Baranov A.V., Mihajlov V.I., Ushakov B.G. Titanovye splavy dlja konstrukcij morskogo primenenija [Titanium alloys for marine applications designs] //Morskie intellektual'nye tehnologii. 2009. №4. S. 61–66.
15. Ilyin A., Kolachev B., Volodin V., Ryndenkov D. About the purposefulness of comprasion of titanium alloys in terms of aluminium and Molybdenium equivalents /In: Titanium–99. Science and technology. 1999. P. 53–60.
Вы можете оставить комментарий к статье. Для этого необходимо зарегистрироваться на сайте.