Введение

Номенклатура титановых сплавов, применяемых в отечественной промышленности для дисков газотурбинных двигателей, представлена восемью марками титановых сплавов с рабочей температурой до 350–600°С. При этом для дисков первой ступени компрессора (вентилятора) и компрессора низкого давления в ГТД 3–4 поколения применяются сплавы трех марок – ВТ3-1, ВТ6, ВТ8, для модификаций серийных и при разработке новых ГТД рекомендуется применять сплавы ВТ6 и ВТ8-1. Для рабочих температур свыше 450 до 500°С ранее применялись сплавы ВТ8, ВТ9 и ВТ25, в настоящее время рекомендуется их замена на сплав ВТ25У в интервале температур 500–550°С. В последнее время проведены работы по совершенствованию технологии изготовления полуфабрикатов из сплава ВТ8-1 – модификации сплава ВТ8 с аналогичной областью применения [1]. Проведенные исследования показали, что, с одной стороны, сплав ВТ8-1 обладает более высокой технологичностью в металлургическом производстве (на операциях горячей деформации), более высокими характеристиками прочности и трещиностойкости по сравнению со сплавом ВТ6 при изготовлении крупногабаритных штамповок (поковок) для дисков вентилятора, а с другой – обеспечивает более высокие характеристики жаропрочности при температуре 500°С в сравнении со штамповками дисков из сплава ВТ9. Это позволяет рассмотреть возможность унификации роторов компрессора по применяемым титановым сплавам, обеспечить более высокие удельные характеристики изделия и снизить его себестоимость. Для обоснования сказанного далее приведены сравнительные характеристики сплавов ВТ8-1, ВТ6 и ВТ9 в интервале рабочих температур.

Материалы и методы

Механические свойства определяли на промышленных штамповках и поковках дисков, изготовленных в условиях ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» в соответствии с требованиями ОСТ1 90197 «Поковки дисков и валов кованые и штампованные из титановых сплавов. Общие технические требования».

Гарантированные значения прочностных характеристик при комнатной температуре в соответствии с техническими условиями на поставку полуфабрикатов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Гарантированные значения прочностных характеристик при комнатной температуре

Результаты и обсуждение

Для сравнительной оценки прочностных характеристик крупногабаритных штамповок дисков из сплавов ВТ6 и ВТ8-1 приведем диапазон изменения значений (табл. 2).

Таблица 2

Прочностные характеристики крупногабаритных штамповок дисков

из сплавов ВТ6 и ВТ8-1

Видно, что при изготовлении крупногабаритных штамповок дисков из сплава ВТ6 прочностные характеристики материала имеют значительную дисперсию, причем в центральных зонах штамповок прочность материала может снижаться на 90–100 МПа независимо от режима термической обработки. На более крупной штамповке диска вентилятора из сплава ВТ8-1 в отожженном состоянии обеспечиваются стабильно высокие характеристики прочности, пластичности, ударной вязкости при сохранении достаточно высоких значений удельной работы разрушения образцов с трещиной.

Сравнительные характеристики усталостной прочности и трещиностойкости штамповок дисков из сплавов ВТ6 и ВТ8-1 приведены в табл. 3 и 4.

Таблица 3

Характеристики усталостной прочности штамповок дисков из сплавов ВТ6 и ВТ8-1

* При термической обработке по скорректированному режиму отжига [5].

Материал штамповок дисков из сплава ВТ8-1 обладает большей малоцикловой усталостью по сравнению со сплавом ВТ6, что объясняется большей прочностью сплава ВТ8-1.

Таблица 4

Характеристики трещиностойкости штамповок дисков (отожженное состояние)

из сплавов ВТ6 и ВТ8-1

Жаропрочный титановый сплав ВТ8-1 по сравнению со сплавом ВТ6 обладает высоким уровнем вязкости разрушения и трещиностойкостью, а также обеспечивает стабильный рост трещины при больших значениях размаха коэффициента интенсивности напряжений.

Типичная микроструктура штамповок дисков из сплавов ВТ6 и ВТ8-1 приведена на рис. 1 и 2.

Для деформированных полуфабрикатов из сплава ВТ6 характерной является микроструктура с более крупными выделениями первичной и вторичной α-фазы. После закалки в воде сплава ВТ6 удается зафиксировать минимальное количество первичной α-фазы при максимальной дисперсности пластин вторичной α-фазы (рис. 1, а), однако в центральной зоне крупных штамповок дисков эффект от быстрого охлаждения в воде значительно снижается (рис. 1, б), что приводит к различию механических свойств в периферийных и центральных зонах. Для крупногабаритных штамповок дисков из сплава ВТ8-1 при охлаждении на воздухе морфология выделения α-фазы в зависимости от толщины сечения также может существенно изменятся (рис. 2). Однако даже при неблагоприятной структуре материала (рис. 2, в) прочностные характеристики и ударная вязкость при комнатной температуре остаются на высоком уровне (σ_в=1010 МПа, δ=16%, Ψ=32%, KCU=41 Дж/см², KСТ=20 Дж/см²).

Рис. 1. Микроструктура штамповок дисков из сплава ВТ6 (крупная штамповка после охлаждения в воде с последующим отжигом):

а – периферийная зона; б – центральная зона; в – типичная структура после отжига с охлаждением на воздухе

Рис. 2. Микроструктура крупных штамповок дисков из сплава ВТ8-1 после отжига при температурах первой ступени отжига Т_п.п -(20–30)°С, охлаждение на воздухе:

а, б – типичная на периферии и в центральной зоне; в – нетипичная в центральной зоне после отжига штамповки при температуре Т_п.п-40°С на первой ступени (штамповки дисков КНД и КВД); г – типичная для штамповки диска КНД; д – типичная для штамповки рабочего колеса при температуре отжига Т_п.п-25°С

Влияние толщины сечения на скорость охлаждения штамповок дисков из титановых сплавов подробно описано специалистами компании Snecma в работе [2] (рис. 3). Измерения фактических скоростей охлаждения штамповки с максимальной толщиной сечения 80 мм из титанового сплава ВТ8 при охлаждении на воздухе в условиях ВИАМ показали практически идентичные результаты.

Рис. 3. Изменение фактической скорости охлаждения жаропрочных титановых сплавов в зависимости от величины сечения [2]

Для получения регламентированной глобулярно-пластинчатой структуры в крупных полуфабрикатах из сплава ВТ8-1 целесообразно проводить предварительную механическую обработку для получения минимальной толщины сечения под термическую обработку, высокотемпературный отжиг при температурах не менее Т_п.п-30°С с последующим охлаждением под вентилятором.

Приведенные сравнительные характеристики механических свойств материала штамповок дисков из сплавов ВТ8-1 и ВТ6 показывают, что сплав ВТ8-1 в отожженном состоянии обеспечивает стабильно высокие значения прочностных и усталостных характеристик при больших сечениях штамповок, высокую вязкость разрушения и трещиностойкость, что позволяет рекомендовать его для замены других серийных сплавов, включая сплав ВТ6 [3].

Рассмотрим возможности применения сплава ВТ8-1 (взамен сплава ВТ9) для дисков КВД с рабочей температурой до 500°С. Отметим, что к основным достоинствам сплава ВТ9 можно отнести более высокий уровень кратковременной прочности и многоцикловой усталости при комнатной температуре испытаний, при этом характеристики трещиностойкости у сплава ВТ9 существенно ниже, чем у сплавов ВТ6, ВТ8 и др. На рис. 4 приведены зависимости изменения характеристик механических свойств при растяжении от температуры испытаний, на рис. 5 и 6 – характеристики длительной прочности и ползучести.

Видно, что кратковременная прочность сплава ВТ9 до температуры 450°С включительно выше кратковременной прочности сплава ВТ8-1 на ~20–40 МПа при более высоких характеристиках пластичности во всем интервале температур испытаний. При температуре 500°С прочность сплавов одинакова, а при температуре испытания 550°С прочность сплава ВТ8-1 несколько выше прочности сплава ВТ9. Кроме того, по всем жаропрочным характеристикам при температурах 450 и 500°С сплав ВТ8-1 также имеет преимущество перед сплавом ВТ9.

Рис. 4. Условный предел текучести (а), предел прочности (б), относительные удлинение (в) и сужение (г) материала штамповок дисков из сплавов ВТ8-1 и ВТ9 (средние значения) в зависимости от температуры испытаний

Рис. 5. Длительная прочность за 100 (а) и 500 ч (б) материала штамповок дисков из сплавов ВТ8-1 и ВТ9 в зависимости от температуры испытаний

Рис. 6. Сопротивление ползучести за 100 ч при остаточной деформации 0,2% материала штамповок дисков из сплавов ВТ8-1 и ВТ9 в зависимости от температуры испытаний

Характеристики ударной вязкости, трещиностойкости и вязкости разрушения материала штамповок дисков из сплавов ВТ8-1 и ВТ9 приведены в табл. 5.

Таблица 5

Механические характеристики штамповок диска (отожженное состояние)

из сплавов ВТ9 и ВТ8-1

Сплав ВТ8-1 обладает значительно большими характеристиками ударной вязкости и трещиностойкости по сравнению со сплавом ВТ9. Кроме того, существует возможность повышения минимальных прочностных характеристик на штамповках дисков из сплава ВТ8-1 за счет оптимизации технологии термомеханической и термической обработки при сохранении высоких показателей трещиностойкости. В качестве примера можно привести опытные работы по изготовлению штамповок рабочих колес типа «блиск» из сплава ВТ8-1 [4]. Подобные возможности обеспечиваются как композицией самого сплава, так и получением регламентированной глобулярно-пластинчатой структуры в материале. По сравнению с жаропрочными сплавами ВТ3-1, ВТ8, ВТ9, сплав ВТ8-1 содержит меньшее количество легирующих элементов (алюминий, кремний), снижающих вязкость материала. Повышению прочностных характеристик способствуют небольшие добавки таких элементов, как нейтральные упрочнители (олово и цирконий), которые повышают уровень твердорастворного упрочнения α- и β-фаз. Необходимо отметить, что работы по совершенствованию промышленных титановых сплавов зачастую носят прикладной и фундаментальный характер, так как при проведении исследований фазового и химического состава фаз более подробно исследуются процессы фазовых превращений в многокомпонентных системах [5–15]. Так, для сплава ВТ8-1 получены предварительные данные, позволяющие качественно и количественно описать величину упрочнения различных α-твердых растворов первичной и вторичной α-фазы, а также α-оторочки условного β-зерна в глобулярно-пластинчатой структуре [4]. Получение новых данных по качественному и количественному описанию структуры материала позволит прогнозировать его свойства, проводить оптимизацию химического состава, а также разрабатывать новые композиции сплавов с улучшенными характеристиками.

Заключение

Работы по совершенствованию технологии изготовления промышленных штамповок дисков из сплава ВТ8-1, проводимые во ФГУП «ВИАМ» и ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА», позволили раскрыть потенциал сплава, одновременно повышая прочностные и жаропрочные свойства, а также выносливость и длительную прочность, при сохранении максимальных характеристик вязкости и трещиностойкости, что особенно важно для новых высокоресурсных двигателей V поколения.