Экономированные титановые сплавы для слоистых металлополимерных композиционных материалов
Разработаны два опытных экономнолегированных титановых сплава: псевдо-α-(Ti–Fe–Zr–O–N) и α+β (Ti–Al–V–Fe)-класса – для создания титан-полимерных слоистых композиционных материалов, позволяющих обеспечить снижение массы на 20% по сравнению с цельнометаллическими конструкциями из алюминиевых сплавов. Новые сплавы содержат микродобавки РЗМ и обладают повышенными механическими и эксплуатационными свойствами.
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
Условный номер композиции | Содержание элементов, % (по массе) | Фазовый состав | ||||||
Al | V | Fe | Zr | O, N | Gd | Ti | ||
1 | 2,0 | – | 1,2 | 1,0 | – | – | Остальное | α(+β) |
2 | – | – | Σ=2,2 | 0,3 | – | Остальное | α(+β) | |
3 | – | – | Σ=2,0 | 0,3 | 0,2 | Остальное | α(+β) | |
4 | 4,4 | Σ=3,0 | – | – | – | Остальное | α+β | |
5 | 4,3 | Σ=3,0 | – | – | 0,3 | Остальное | α+β | |
6 | 4,5 | 1,9 | 1,1 | – | – | 0,5 | Остальное | α+β |
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 (σв=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
Год получения патента | Состав сплава, % (по массе) | Коммерческое обозначение | Разработчик (страна) | Источ-ник |
1999 | Ti–4Al–2,5V–1,5Fe–0,25O | – | TIMET Corp. (США) | [13] |
2001–2006 | Ti–5Al–5V–5Mo–3Cr–0,5Fe Ti–3Al–5V–5Mo–3Cr–0,5Fe | Ti-5553 Ti-3553 | ВСМПО-АВИСМА (РФ) | [14–17] |
2004 | Ti–6Al–0,5…4,0Fe–0,5N–0,2O (+0,5% по массе РЗМ) | – | Daido Steel Co. (Япония) | [18] |
2004 | Ti–0,8Fe–0,45Mo–0,35O–0,045N | – | ВИАМ (РФ) | [12] |
2005 | Ti–6Al–1,8Fe–0,1Si | Ti-62S | TIMET Corp. (США) | – |
2007 | Ti–1Al–0,5Si–0,3Nb | – | Kobe Steel Ltd. (Япония) | [19] |
2007 | Ti–1Cu–0,5Nb | – | Nippon Steel Corp. (Япония) | [20] |
2009 | Ti–5Al–1Sn–1Fe–1Cr | Ti-5111 | Baoji Titanium Ind. Co. (КНР) | – |
2011 | Ti–1Fe–0,35O–0,01N Ti–1Fe–0,30O–0,04N | Super-TIX800 Super-TIX800N | Nippon Steel Corp. (Япония) | [21] |
2012 | Ti–4Al–0,1O–0,1Hf–V,Mo,Cr,Fe | – | Messier-Dowty SA (Франция) | – |
2012 | Ti–6,5Al–1,7V–1,7Mo–0,4Si–0,15Fe–0,2O–0,03C | – | TIMET Corp. (США) | [22] |
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)
Состав сплава, % (по массе) | Предел прочности, МПа | Ударная вязкость KCU, кДж/м2 |
Ti–1Fe–1Zr–O–N (+Gd) | 760 | 1055 |
Ti–(4–5)Al–V–Fe (+Gd) | 970 | 616 |
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.
- 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.
- 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.
- Каблов Е.Н., Антипов В.В., Сенаторова О.Г. Слоистые алюмостеклопластики СИАЛ-1441 и сотрудничество с Airbus и TU DELFT //Цветные металлы. 2013. №9(849). С. 50–53.
- Антипов В.В., Сенаторова О.Г., Лукина Н.Ф., Сидельников В.В., Шестов В.В. Слоистые металлополимерные композиционные материалы //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 226–230.
- Лукина Н.Ф., Дементьева Л.А., Аниховская Л.И. Клеевые препреги для слоистых алюмостеклопластиков класса СИАЛ //Труды ВИАМ. 2014. №1. Ст. 05 (viam-works.ru).
- Краснов Е.И., Штейнберг А.С., Шавнев А.А., Березовский В.В. Исследование слоистого металлического композиционного материала системы Ti–TiAl3 //Авиационные материалы и технологии. 2013. №3. С. 16–19.
- Boyer R.R., Williams J.C. Developments in research and applications in the titanium industry in the USA //Proc. of 12th World Conf. on Titanium. 2011. V. I. P. 10–19.
- Ильин А.А., Колачев Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства: Справочник. М.: ВИЛС–МАТИ. 2009. 520 с.
- Хорев А.И., Белов С.П., Глазунов С.Г. Металловедение титана и его сплавов. М.: Металлургия. 1992. 352 с.
- Niinomi M. Recent trends in titanium research and development in Japan //Proc. 12th World Conf. on Titanium. 2011. V. I. P. 30–37.
- Каблов Е.Н., Оспенникова О.Г., Вершков А.В. Редкие металлы и редкоземельные элементы – материалы современных и будущих высоких технологий //Труды ВИАМ. 2013. №2. Ст. 01 (viam-works.ru).
- Сплав на основе титана и изделие, выполненное из него: пат. 2222627 Рос. Федерация; опубл. 27.01.2004.
- Titanium-aluminum-vanadium alloys and products made therefrom: pat. 5980655 US; publ. 09.11.1999.
- Сплав на основе титана и способ термической обработки крупногабаритных полуфабрикатов из этого сплава: пат. 2169204 Рос. Федерация; опубл. 20.06.2001.
- Сплав на основе титана: пат. 2169782 Рос. Федерация; опубл. 06.05.2006.
- Titanium-based alloy: pat. EP 1882752; publ. 03.06.2009.
- Titanium-based alloy: pat. US 6632396; publ. 14.10.2003.
- High strength Ti alloy and its production method: pat. JP 2004010963; publ. 15.02.2004.
- Yashiki T. Development of a high temperature oxidation-resistant titanium alloy for exhaust systems of motorcycles and automobiles //Proc. 11th World Conf. on Titanium. 2007. V. II. P. 1387–1390.
- Otsuka H. et al. Formability of newly developed high-performance titanium alloys for automotive exhaust systems //Proc. 11th World Conf. on Titanium. 2007. V. I. P. 251–254.
- Titanium alloy part and method of manufacturing same: pat. EP 2508643; publ. 10.10.2012.
- Titanium alloy with improved properties: app. US 2012/0107132; publ. 03.05.2012.
- Conrad H. Effect of interstitial solutes on the strength and ductility of titanium //Progress in Mat. Sci. 1981. V. 26(2–4). P. 123–403.
- Zhu J. et al. Influence of boron addition on microstructure and mechanical properties of dental cast titanium alloys //Mat. Sci. & Eng.: A. 2003. V. 339(1–2). P. 53–62.
- Ando T. et al. Precipitation of fine beta-phase in high nitrogen titanium alloy //Proc. 11th World Conf. on Titanium. 2007. V. I. P. 447–450.
- Koike M. et al. Evaluation of cast Ti–Fe–O–N alloys for dental applications //Mat. Sci. & Eng.: C. 2005. V. 25(3). P. 349–356.