Статьи

 




dx.doi.org/ 10.18577/2307-6046-2016-0-3-5-5
УДК 669.018.44:669.295
Т. В. Павлова, О. С. Кашапов, А. Р. Кондратьева, В. С. Калашников
ВОЗМОЖНОСТИ ПО РАСШИРЕНИЮ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СПЛАВА ВТ8-1 ДЛЯ ДИСКОВ И РАБОЧИХ КОЛЕС КОМПРЕССОРА

Приведены основные факторы, позволяющие расширить область применения сплава ВТ8-1 для роторных деталей ГТД – дисков и рабочих колес вентилятора, компрессоров низкого и высокого давления. Приведены сравнительные характеристики механических свойств (кратковременной прочности, пластичности, вязкости разрушения, СРТУ) штамповок дисков из сплавов ВТ8-1 и ВТ6 применительно к крупногабаритным штамповкам дисков для вентилятора и первой ступени КНД, а также дисков КВД из сплавов ВТ8-1 и ВТ9 (характеристики кратковременной прочности, вязкости разрушения, СРТУ, жаропрочности) применительно к деталям с рабочей температурой до 500°С.


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

Сплав

Масса поковки, кг

σв, МПа

δ

Ψ

KCU

KCT

%

Дж/см2

ВТ8-1

 

 

До 50

980

10

25

35

13

Свыше 100 до 200

960

9

25

35

13

Свыше 200 до 500

940

8

22

35

13

ВТ6

 

До 100

930

10

25

40

15

Свыше 100 до 200

900

9

25

40

15

ВТ9

До 50

1030

8

22

30

8

 

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

Сплав

Полуфабрикат

(состояние)

σв, МПа

δ

Ψ

KCU

Т

%

Дж/см2

ВТ8-1

Поковка штампованная массой ~480 кг с максимальным сечением ~300 мм (отожженное)

995–1030

14,5–19,5

25–40

43–53

15–19,5

ВТ6

 

Поковки, штамповки дисков вентилятора и 1 ступени КНД массой до 100 кг (отожженное)

935–1045

10–17,5

28,5–52,5

41–62

17–38

Поковка штампованная массой 317 кг с максимальным сечением 145 мм (охлаждение в воде+отжиг)

960–1060

13–16,5

26–49,5

41–50

20–23,5

 

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

Материал штамповки

диска

МЦУ: σmax, МПа (при N=104 цикл),

образцов

МнЦУ: σmax, МПа (при N=2×107 цикл),

образцов

гладких

с надрезом (ασ=3,35)

гладких

с надрезом (ασ=2,33)

ВТ8-1

1000

490

480–500*

220

ВТ6

900

450

480

220

* 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

Материал штамповки диска

K1с,  

(радиальное/тангенциальное направление вырезки образца)

СРТУ: dl/dN, мм/цикл, при размахе коэффициента интенсивности напряжения ∆K

21

31

41

ВТ8-1

85/98

0,17×10-6

0,46×10-6

2,4×10-6

ВТ6

77/93

0,15×10-6

0,82×10-6

 

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 (σв=1010 МПа, δ=16%, Ψ=32%, KCU=41 Дж/см2, Т=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 Тп.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 Тп.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 Тп.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 Тп.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

Материал штамповки диска

KCU

Т

K1с,

(радиальное/тангенциальное направление вырезки образца)

СРТУ: dl/dN, мм/цикл

(при ∆K=31 )

Дж/см2

ВТ8-1

52

22

85/98

0,46×10-6

ВТ9

41

12

58/71

2,8×10-6

 

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.


ЛИТЕРАТУРА REFERENCE LIST
1. 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: электрон. науч. технич. журн. 2013. №3. Ст. 02. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 27.07.2015).
2. Barussad A., Desvalles Y., Guedou J.Y. Control of the microstructure in large titanium discs. Application to the high pressure compressor of the GE90 aeroengine / In: Titanium–95: Science and Technology. UK. The institute of Materials. 1996. P. 1599–1608.
3. Кривцов В.С., Павленко В.Н., Волков И.В. Оценка влияния ряда факторов на сопротивление усталости титановых сплавов // Проблемы машиностроения. 2011. Т.14. № 6. С. 37–41.
4. Истракова А.Р., Кашапов О.С., Калашников В.С. Исследование влияния режимов отжига на структуру и фазовый состав штамповок моноколес из сплава ВТ8-1 // Вестник МАИ. 2015. №2. С. 142–151.
5. Способ термической обработки высокопрочных (α+β)-титановых сплавов: пат. 2465366 Рос. Федерация; опубл. 15.09.11.
6. Способ термомеханической обработки изделий из титановых сплавов: пат. 2457273 Рос. Федерация; опубл. 05.04.11.
7. Хорев А.И. Теоретические и практические основы повышения конструкционной прочности современных титановых сплавов // Технология легких сплавов. 2007. №2. С. 144–153.
8. Хорев А.И. Разработка конструкционных титановых сплавов для изготовления деталей и узлов авиакосмической техники // Сварочное производство. 2009. №3. С. 13–23.
9. Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3–33.
10. Каблов Е.Н. Шестой технологический уклад // Наука и жизнь. 2010. №4. С. 2–7.
11. Каблов Е.Н., Оспенникова О.Г., Вершков А.В. Редкие металлы и редкоземельные элементы – материалы современных и будущих высоких технологий // Труды ВИАМ электрон. науч. технич. журн. 2013. №2. Ст. 01. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 27.07.2015).
12. Каблов Е.Н. Материалы для изделия «Буран» – инновационные решения формирования шестого технологического уклада // Авиационные материалы и технологии. 2013. №S1. С. 3–9.
13. Хорев А.И., Белов С.П., Глазунов С.Г. Металловедение титана и его сплавов. М.: Металлургия, 1992. 352 с.
14. Малышева С.П., Мурзинова М.А., Жеребцов С.В., Салищев Г.А. Механические свойства ультрамелкозернистого титанового сплава ВТ6 // Перспективные материалы. 2011. №12.
С. 316–320.
15. Попов А.А., Демаков С.Л., Попова М.А., Россина Н.Г., Елкина О.А. Выделение частиц силицидов в жаропрочных титановых сплавах // Титан. 2013. №1 (39). С. 4–13.
1. Kashapov O.S., Novak A.V., Nochovnaya N.A., Pavlova T.V. Sostoyanie, problemy i perspektivy sozdaniya zharoprochnyh titanovyh splavov dlya detalej GTD [Condition, problems and perspectives of creation of heat resisting titanium alloys for GTE details] // Trudy VIAM: elektron. nauch. tehnich. zhurn. 2013. №3. St. 02. Available at: http://www.viam-works.ru (accessed: July 27, 2015).
2. Barussad A., Desvalles Y., Guedou J.Y. Control of the microstructure in large titanium discs. Application to the high pressure compressor of the GE90 aeroengine / In: Titanium–95: Science and Technology. UK. The institute of Materials. 1996. P. 1599–1608.
3. Krivtsov V.S., Pavlenko V.N., Volkov I.V. Ocenka vliyaniya ryada faktorov na soprotivlenie ustalosti titanovyh splavov [Impact assessment of number of factors on resistance of fatigue of titanium alloys] // Problemy mashinostroeniya. 2011. T.14. № 6. S. 37–41.
4. Istrakova A.R., Kashapov O.S., Kalashnikov V.S. Issledovanie vliyaniya rezhimov otzhiga na strukturu i fazovyj sostav shtampovok monokoles iz splava VT8-1 [Research of influence of modes of annealing on structure and phase structure of punchings of monoalloy wheels BT8-1] // Vestnik MAI. 2015. №2. S. 142–151.
5. Sposob termicheskoj obrabotki vysokoprochnyh (α+β)-titanovyh splavov [Way of thermal processing high-strength (α +β)-titanium alloys]: pat. 2465366 Ros. Federaciya; opubl. 15.09.11.
6. Sposob termomehanicheskoj obrabotki izdelij iz titanovyh splavov [Way of thermomechanical processing of products from titanium alloys]: pat. 2457273 Ros. Federaciya; opubl. 05.04.11.
7. Horev A.I. Teoreticheskie i prakticheskie osnovy povysheniya konstrukcionnoj prochnosti sovremennyh titanovyh splavov [Theoretical and practical bases of increase of constructional durability of modern titanium alloys] // Tehnologiya legkih splavov. 2007. №2. S. 144–153.
8. Horev A.I. Razrabotka konstrukcionnyh titanovyh splavov dlya izgotovleniya detalej i uzlov aviakosmicheskoj tehniki [Development of structural titanium alloys for manufacturing of details and nodes of aerospace equipment] // Svarochnoe proizvodstvo. 2009. №3. S. 13–23.
9. Kablov E.N. Innovacionnye razrabotki FGUP «VIAM» GNC RF po realizacii «Strategicheskih napravlenij razvitiya materialov i tehnologij ih pererabotki na period do 2030 goda» [Innovative developments of FSUE «VIAM» SSC of RF on realization of «Strategic directions of the development of materials and technologies of their processing for the period until 2030»] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2015. №1 (34). S. 3–33.
10. Kablov E.N. Shestoj tehnologicheskij uklad [Sixth technological way] // Nauka i zhizn. 2010. №4. S. 2–7.
11. Kablov E.N., Ospennikova O.G., Vershkov A.V. Redkie metally i redkozemelnye elementy – materialy sovremennyh i budushhih vysokih tehnologij [Rare metals and rare earth elements – materials of modern and future high technologies] // Trudy VIAM: elektron. nauch. tehnich. zhurn. 2013. №2. St. 01. Available at: http://www.viam-works.ru (accessed: July 27, 2015).
12. Kablov E.N. Materialy dlya izdeliya «Buran» – innovacionnye resheniya formirovaniya shestogo tehnologicheskogo uklada [Materials for «Buran» spaceship – innovative solutions of formation of the sixth technological mode] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2013. №S1. S. 3–9.
13. Horev A.I., Belov S.P., Glazunov S.G. Metallovedenie titana i ego splavov [Metallurgical science of titanium and its alloys]. M.: Metallurgiya, 1992. 352 s.
14. Malysheva S.P., Murzinova M.A., Zherebcov S.V., Salishhev G.A. Mehanicheskie svojstva ul'tramelkozernistogo titanovogo splava VT6 [Mechanical properties of ultrafine-grained BT6 titanium alloy] // Perspektivnye materialy. 2011. №12.
S. 316–320.
15. Popov A.A., Demakov S.L., Popova M.A., Rossina N.G., Elkina O.A. Vydelenie chastic silicidov v zharoprochnyh titanovyh splavah [Allocation of particles of silicides in heat resisting titanium alloys] // Titan. 2013. №1 (39). S. 4–13.
Вы можете оставить комментарий к статье. Для этого необходимо зарегистрироваться на сайте.