Классификация и свойства титановых сплавов

По технологии изготовления титановые сплавы подразделяют на деформируемые и литейные, по уровню прочности - на сплавы низкопрочные(до 500 МПа), средней прочности (500–1000МПа), высокопрочные (более 1000 МПа); жаропрочные, повышенной пластичности.

По способности упрочняться с помощью термической обработки они делятся наупрочняемые и неупрочняемые термической обработкой.

Одним из признаков, по которому деформируемые титановые сплавы разделяют на несколько классов, является фазовый состав после отжига. Различают: α - сплавы, состоящие из твёрдого раствора на основе α - Ti (ГП); псевдо-α-сплавы, которые состоят из α - фазы и небольшого количества β – фазы (ОЦК) (не более 5 %); (α + β) – сплавы; псевдо - β - сплавы (α - фазы не более 5 %); β - сплавы. Последние два класса сплавов имеют ограниченное применение.

Класс сплава или его фазовый состав после отжига, определяется, прежде всего, легированием (табл. 1.1.). В свою очередь фазовый состав влияет на механические и технологические свойства сплавов, определяет их способность к упрочняющей термической обработке.

Однофазные α - сплавы применяют и как жаропрочные, и как сплавы криогенного назначения. Они значительно упрочняются при холодной пластической деформации, не упрочняются при термообработке. Поэтому имеют средний уровень прочности,удовлетворительно свариваются, склонны к водородной хрупкости. Самый распространенный сплав этого класса – сплав марки ВТ5-1(Ti– 5Al – 2,5Sn) (табл. 1.1.) после отжига имеет σ_в = 800–1000 МПа. Сплав жаропрочен до 450ºС, и в то же время сплав считается наилучшим для применения при криогенных температурах вплоть до температуры жидкого водорода.

Таблица 1.1. Химический состав (ГОСТ 19807-91), структура

и механические свойства некоторых сплавов титана

Сплав	Содержание элементов (остальное Ti), %				Струк-тура	Механические свойства
						σв	σ0.2	δ %
	Al	V	Mo	Про-чие		МПа
ВТ5 ВТ5-1	4.3-6.2 4-6	- -	- -	- 2-3 Sn	α	700-950 750-950	660-850 650-850	10-15 10-15
ОТ4-1 ОТ4 ВТ20	1-2.5 3.5-5 5.5-7.0	- - 0.5-2.3	- - 0.5-1.8	0.7-2Mn 0.8-2 Mn 1.4-2.5 Zr	Псевдо- α	600-750 700-900 950-1150	470-650 550-650 850-1000	20-40 12-20 8
ВТ6 ВТ14 ВТ16 ВТ22	5.3-6.8 3.5-6.3 1.6-3.8 4.8-5.2	3.5-5.3 0.8-1.9 4.0-5.0 4.5-5.5	- 2.5-3.8 4.5-5.5 4.5-5.5	- - - 0.8-1.2 Cr 0.8-1.2 Fe	(α+β)	1100-1500 1150-1400 1250-1450 1100-1250	1000-1050 1080-1300 1100-1200 -	14-16 6-10 4-6 9

Псевдо α - сплавы (1 – 5 % β - фазы) могут применяться как сплавы общего назначения, криогенные; жаропрочные, а также как сплавы повышенной технологической пластичности. Сплавы имеют высокую технологическую пластичность; способность к упрочнению при термообработке (отжиг); хорошую свариваемость всеми видами сварки; склонность к водородной хрупкости. Сплавы системы Ti – Al - Mn (ОТ4, ОТ4-1 и др.) высокотехнологичны в холодном и горячем состояниях. Из них получают листы, ленты, полосы, трубы, а также плиты, поковки, прутки и штамповки. Применяются как сплавы общего назначения.

К псевдо α - сплавам относится и самый жаропрочный титановый сплав – ВТ18 (Ti – 6,7Al – 3,2Mo – 1Nb – 4Zr – 2,5Sn – 0,2Si). Высокую жаропрочность, до температуры 600ºС, обеспечивает как присутствие тугоплавких элементов, молибдена и ниобия, так и незначительное содержание β - фазы (которая нестабильна при повышенных температурах). Детали из сплава ВТ-18 применяются в компрессорах авиационных двигателей.

Сплав ВТ20 – в настоящее время является наиболее широко применяемым конструкционным листовым свариваемым титановым сплавом. Его используют в конструкциях планера, а также для изготовления деталей ГТД. Свариваемый титановый сплав ВТ20 широко применен в конструкции планера самолета Су-35 для изготовления деталей и сварных узлов фюзеляжа, центроплана, крыла и киля этого самолета (рисунок 1.3). Для изготовления деталей и узлов используются полуфабрикаты в виде штамповок, прутков, профилей, плит и листов. В самолете Су-35 из сплава ВТ20 применены силовые монолитные и сварные детали и узлы: балки, лонжероны, стрингеры, стыковочные пояса, стенки, кронштейны, фитинги.

Сплав ВТ20 имеет жаропрочность до 450 - 500ºС.

Рисунок 1.3. – Самолет СУ-35

α+β-сплавы имеют наилучшее сочетание механических и технологических свойств: хорошо деформируются в горячем состоянии вследствие присутствия β - фазы; упрочняются при термической обработке; относятся к высокопрочным сплавам; отличаются пониженной склонностью к водородной хрупкости. Наиболее распространённым сплавом этого класса является сплав марки ВТ6 (Ti–6Al–V): около 50 % титановых сплавов, используемых в авиакосмической промышленности в России и за рубежом, составляют сплавы – аналоги ВТ6. Он рекомендуется для деталей и узлов вентилятора и компрессора низкого давления (КНД - диски, лопатки, детали статора, кольца, корпусные детали), работающих при температуре до 350°С неограниченно. Сплав имеет σ_в до 1150 МПа, отличается высокой технологичностью, однородностью химического состава, пониженной чувствительностью к концентраторам напряжений, возможностью многоцелевого применения. Металлургические предприятия поставляют полуфабрикаты из сплава ВТ6 в виде катаных прутков, штамповок дисков, раскатных колец, штамповок лопаток, листов.

Многие из α+β - сплавов применяются как жаропрочные в компрессорах авиационных двигателей. Так сплав ВТ14 применяют до до 400ºС, ВТ3-1 – до 400 - 450ºС, ВТ8 – до 450 - 500ºС, ВТ9 -до 500ºС. Новые сплавы ВТ8-1, ВТ8М-1, ВТ25У – предназначены для дисков и лопаток компрессора авиационных двигателей и рекомендуются взамен сплавов ВТ3-1, ВТ8, ВТ9, ВТ25 для высокоресурсных силовых установок гражданской и военной авиации. Обладают высоким уровнем жаропрочности, термической стабильности при температурах 450–550°С и низкой чувствительностью к концентраторам напряжений. Сплав ВТ8М-1 предназначен для изготовления лопаток ГТД, в том числе с применением технологии холодного вальцевания, что обеспечивает степень деформации до 45%. Сплавы ВТ8-1 и ВТ25У предназначены для дисков КНД и компрессора высокого давления (КВД) (рисунок 1.4), способны к термическому упрочнению. После закалки и старения прочность сплавов повышается до уровня σ_в=1100–1350 МПа при относительном удлинении δ=6–12%. Применяются в двигателях АИ222-25, ПС-90, НК-83 (самолет Ту-154).

Рисунок 1.4. - Ротор компрессора ГТД

ВТ41 – новый жаропрочный псевдо-β-сплав для дисков и лопаток компрессора высокого давления с рабочей температурой – до 600°С (рисунок 1.5).

Рисунок 1.5- Сопловая и поворотно-сопловая лопатки КВД

Сплав паспортизован для штамповок дисков с пластинчатой микроструктурой и прутковых лопаточных заготовок с регламентированной глобулярно-пластинчатой микроструктурой, рекомендуется взамен сплава ВТ18У. По сравнению со сплавом ВТ18У сплав ВТ41 обладает повышенными прочностью, жаропрочностью и усталостной прочностью в интервале рабочих температур. Свойства полуфабрикатов из сплава ВТ41 в отожженном состоянии:

• штамповки дисков – σ_в=1030–1050 МПа; МЦУ (гладкие образцы):  σ=930 МПа (при N=10⁴ цикл; f=50 Гц; R=0,1); σ_в^600°=720–750 МПа; σ₁₀₀^600°=335 МПа;

• прутки  – σ_в=1015–1030 МПа; многоцикловая усталость: (гладкие образцы): σ=510 МПа (при N=2·10⁷ цикл; f=50 Гц; R=-1); σ_в^600°=635–665 МПа; σ₁₀₀^600°=265 МПа.

Сплав ВТ41 технологичен в кузнечно-прессовом производстве, что позволяет получать штамповки дисков конструкции «блиск» и штамповки лопаток с регламентированной глобулярно-пластинчатой микроструктурой. Сплав ВТ41 с глобулярно-пластинчатой микроструктурой способен к термическому упрочнению при сохранении удовлетворительных пластических свойств: σ_в=110 МПа при δ=7,5–11%, σ_в^600°=700 МПа, σ₁₀₀^600°=265 МПа.

Сплав ВТ16 позволил создать высокопроизводительный и эффективный технологический процесс изготовления деталей крепления путем холодной высадки. Обеспечивает в 1,5 раза более высокий удельный предел выносливости (по сравнению со сталью 16ХСН) и обладает высокой коррозионной стойкостью.

ВТ23 – высокопрочный свариваемый сплав широкого применения; используется в монолитных, сварных и паяных конструкциях самолетов, ракет и космических аппаратов. Общая масса деталей, изготовленных из сплава ВТ23 для ракетно–космического комплекса «Энергия-Буран» составляет 6 и 14 тонн соответственно. Это шпангоуты, балки, лонжероны и стыковочные узлы (рисунок 1.6). Для этого сплава разработаны технология изготовления разнообразных полуфабрикатов (листов, фольги, ленты, штамповок и поковок) массой до 3,5 т; процессы ВТМО и текстурного упрочнения для изготовления лонжеронов, шпангоутов, балок, силового набора с σ_в=1100 МПа (в зависимости от типа деталей и их ресурса), шаровых баллонов с конструкционой прочностью σ_в.к=1300 МПа. Сплав применяется также в конструкции самолетов Ан-158, Су-31М, Су-29 (рессорные шасси и пружины) и других.

Рисунок 1.6. - Ракетно-космический комплекс «Энергия—Буран».

Т23М – высокопрочный свариваемый сплав с более узким диапазоном легирования, чем у сплава ВТ23, отличается высокой стабильностью и повышенным уровнем механических свойств (σ_в=1150 МПа). Применяется в монолитных, сварных и паяных конструкциях самолетов, ракет и космических аппаратов.

ВТ43 – высокопрочный свариваемый сплав широкого применения; используется в монолитных, сварных и паяных конструкциях самолетов, ракет и космических аппаратов, изготовленных с использованием различных типов полуфабрикатов, в том числе крупногабаритных (сечением до 250 мм), с прочностью σ_в =1200–1300 МПа (рисунок 1.7.).

Рисунок 1.7.- Силовой набор фюзеляжа самолета

ВТ18У (листы) –листовой конструкционный сплав высокотемпературного (до 600°С) применения (σ_в?960 МПа, σ₁₀₀^600°=190 МПа). Предназначен для изготовления обшивки самолетов, ракет и двигателей.

ВТ38 – новый жаропрочный, жаростойкий, пониженной окисляемости сплав с рабочей температурой до 650°С (σ_в = 970 МПа, σ_в^600°=630 МПа, σ_в^650° =530 МПа, σ₁₀₀^600°=240 МПа); предназначен для изготовления обшивки самолетов, ракет и двигателей. Сплав ВТ38 – псевдо-β-сплав системы Ti–Zr–Mo–Sn–Nb, легированный редкоземельным элементом – гадолинием, повышающим жаропрочность.

ВТИ-2 – деформируемый сплав для прутков и штамповок с пределом прочности  σ_в>1000 МПа, пластичностью δ>3–4%; σ_в^600°>380 МПа (прутки и штамповки толщиной 25 мм). Из сплава освоено опытное производство слитков, кованых и штампованных заготовок и прутков. Сплав рекомендован для изготовления деталей авиадвигателей (сопловые лопатки, корпуса) с рабочей температурой до 650°С (длительно) и до 700°С (кратковременно). Сплав пожаробезопасен до температуры 700°С.

ВТИ-4 – деформируемый сплав с повышенной технологичностью для листов с пределом прочности σ_в>1150 МПа, пластичностью σ>5%; σ_в^650°>350 МПа. Из сплава освоено производство слитков, кованых и штампованных заготовок, листов (ТУ 1-92-206–2003), а в опытном производстве – лент и фольг с гарантированным уровнем свойств. Сплав рекомендуется для изготовления корпусных, статорных деталей авиадвигателей, облегченных панелей и элементов аэрокосмических конструкций с рабочей температурой до 650°С (длительно) и до 700°С (кратковременно). Сплав пожаробезопасен до температуры 700°С.

Сплав перспективен для использования в качестве матричного материала для интерметаллидных композиционных материалов, упрочняемых волокном карбида кремния, обеспечивающих высокие удельные характеристики: σ/ρ>46 км (усл. ед.);  σ₁₀₀^650°/ρ>25 км (усл. ед.).

Использование сплава ВТИ-4 в монолитном варианте обеспечивает снижение массы конструкции до 20% и повышение рабочих температур до 150°С, а применение КМ в аналогичных конструкциях позволит снизит их массу на 45%.

ВИТ-1–наиболее жаропрочный среди деформируемых интерметаллидных сплавов для прутков с пределом прочности σ_в>1250 МПа, пластичностью δ>6%; σ_в^650°>430 МПа (прутки диаметром 25 мм). Из сплава освоено опытное производство слитков, кованых и штампованных заготовок и прутков. Сплав рекомендован для изготовления деталей авиадвигателей (сопловые лопатки) с рабочей температурой до 700°С (длительно). Сплав пожаробезопасен до температуры 700°С.

Использование сплава ВИТ1 в деталях КВД перспективного двигателя позволит снизить их массу на 30%, температуру эксплуатации – на 150–200°С.

Литейные сплавы. Титановые сплавы имеют хорошие литейные свойства вследствие узкого интервала кристаллизации: низкая линейная усадка (менее 1 %), высокая жидкотекучесть, плотность отливок. Трудности при литье заключаются во взаимодействии сплавов со всеми известными формовочными материалами, а также с газами. В связи с этим их отливают вакууме или в нейтральном газе (аргоне).

Для фасонного литья применяют титан и его сплавы, которые по составу почти не отличаются от деформируемых аналогов: ВТ5Л, ВТ14Л, ВТ6Л и др. (буква «Л» означает – литейный сплав).

Наиболее широко используют α - сплав ВТ5Л. Отливки этого сплава имеют удовлетворительные пластичность, ударную вязкость, предел выносливости. Он предназначен для длительной работы при температуре до 400ºС.

Сплав ВТ9Л, как и его деформируемый полуфабрикат ВТ9, применяется как жаропрочный, при этом рабочая температура для литых деталей выше, чем для деформируемых и составляет 550ºС.

Оба эти сплавы имеют прочность от 350 до 920 МПа. Благодаря высокой технологичности широко используются в изделиях химического машиностроения, медицине, а также для изготовления высоконагруженных деталей ответственного назначения (литых корпусов двигателей, турбин, крыльчаток и т. д.).

ВТ6Л – относится к литейным титановым сплавам средней прочности (σ_в=900 МПа). Сплав рекомендуется для литых деталей, длительно работающих при температурах до 400°С. Сплав ВТ6Л является термоупрочняемым, путем термообработки можно повысить прочность сплава до 1050–1100 МПа.

ВТ40Л – высокопрочный экономнолегированный литейный титановый сплав, обладающий повышенной прочностью (σ_в=1050 МПа), высоким пределом выносливости (σ_-1=340 МПа на базе 10⁷ циклов при f=50 Гц) и рекомендуется для применения вместо серийных литейных титановых сплавов ВТ6Л и ВТ20Л в агрегатах и двигателях для изготовления турбинных колес, крыльчаток, корпусов, промежуточных опор, кронштейнов. На рисунке 1.7. показаны отливки из литейных титановых сплавов.

Рисунок 1.8- Отливки из литейных титановых сплавов

Контрольные вопросы

1. Назовите основные физические свойства титана.

2. Какова коррозионная стойкость титановых сплавов?

3. Как можно изменить положение точки полиморфного превращения титана?

4.Назовите основные легирующие элементы для титановых сплавов.

5. Какие метастабильные фазы образуются в титановых сплавах при быстром охлаждении?

6. Какие критические концентрации -стабилизаторов Вы знаете?

7. Какую термическую обработку проводят для титановых сплавов?

8. Какие изменения вызывает старение в свойствах титановых сплавов и почему?

9. Как классифицируют титановые сплавы по области применению?

10. Как классифицируют титановые сплавы по структуре в отожженом состоянии?

11. Какие классы титановых сплавов находят наибольшее применение в промышленности и почему?

12. Назовите особенности титановых сталей, осложняющие их сварку.

13. Назовите наиболее универсальный по свойствам деформируемый титановый сплав.

14. Назовите наиболее широко используемую марку литейного титанового сплава.

15. Какие титановые сплавы используют для изготовления деталей ГТД?

16. Какой сплав использовали для изготовления ракетно-космиченского комплекса «Энергия –Буран»?