Состояние, проблемы и перспективы создания жаропрочных титановых сплавов для деталей ГТД
В статье отражены основные аспекты разработки и применения титановых сплавов для деталей газотурбинных двигателей. Проведено сравнение основных показателей физических и прочностных свойств жаропрочных и интерметаллидных титановых сплавов различных поколений. Указаны направления развития материалов и технологий рассматриваемого класса.
Cущественное повышение требований к экономичности и надежности газотурбинных двигателей, к снижению их шумовых характеристик и увеличению ресурса заметно обострили проблему выбора конструкционных материалов, используемых для изготовления ответственных деталей двигателя, в первую очередь, – для лопаток и дисков компрессора высокого давления.
Если учесть, что в современном авиационном двигателе доля титановых сплавов составляет >30% (рис. 1) [1], то станет понятно, насколько важны эти материалы для авиации и насколько необходимо интенсивное развитие материаловедения титановых сплавов и технологии их производства.

Рис. 1. Области применения жаропрочных титановых сплавов в конструкции ГТД
Одним из главных лимитирующих факторов при разработке титановых сплавов стало требование по повышению рабочей температуры деталей компрессора высокого давления ГТД до 550–650°С. По этой причине создание жаропрочных титановых сплавов с высоким сопротивлением малоцикловой усталости и ползучести является в настоящее время одной из наиболее актуальных задач современного двигателестроения.
Прототипами таких сплавов стали отечественные жаропрочные титановые сплавы ВТ25У и ВТ18У, разработанные и внедренные в 80-х годах прошлого столетия, и зарубежные сплавы IMI834 и IMI550 (Великобритания). Различия в химических составах отечественных и зарубежных сплавов невелики, но они носят крайне принципиальный характер.
Разработчики сплавов серии IMI в целях обеспечения высокого сопротивления ползучести и термостабильности существенно уменьшили содержание β-фазы в своих сплавах. В результате этого значительно ухудшилась их технологичность. В отечественных сплавах небольшое количество остаточной β-фазы было сохранено, поэтому они обладают приемлемой для производства технологичностью, что позволяет изготовлять блиски, барабаны, диски и лопатки различных ступеней КВД авиационных двигателей. Однако наличие остаточной β-фазы привело к тому, что хотя по характеристикам кратковременной и длительной прочности при рабочих температурах отечественные титановые сплавы и превосходят импортные аналоги (табл. 1), но все же сопротивление ползучести и термическая стабильность при предельной температуре (600°С) у наших сплавов ниже, чем у зарубежных.
Таблица 1
Механические свойства жаропрочных титановых сплавов [2]
Сплав | Предел прочности, МПа | Длительная прочность, МПа, в течение 100 ч | |||
при температуре испытаний, °С | |||||
20 | 550 | 600 | 550 | 600 | |
ВТ18У | 910 | – | 600 | – | 372 |
IMI834 | 1040 | – | 600 | – | 300 |
ВТ25У | 1080 | 784 | – | 450 | – |
IMI550 | 1048 | 715 | 597 | 410 | – |
Следует отметить, что приведенные в табл. 1 данные по уровню свойств жаропрочных титановых сплавов уже вряд ли удовлетворяют конструкторов. По этой причине относительно новые жаропрочные титановые сплавы – как отечественные, так и зарубежные (ВТ25У и ВТ18У, Тi-6-2-4-2 и IM834) – нуждаются в дальнейшем улучшении их эксплуатационных характеристик.
Несмотря на то, что исследователи подошли практически вплотную к предельным возможностям твердорастворного упрочнения псевдо-α-сплавов титана, проводимые во ФГУП «ВИАМ» в данном направлении работы, позволяют считать, что применение дополнительного многокомпонентного легирования обеспечит некоторое повышение жаропрочных характеристик титановых сплавов. Так, использование дополнительного легирования такими элементами, как W и Fe, позволило обеспечить повышение и предела прочности σв600° до 720 МПа, и предела длительной прочности при 600°С на базе 100 ч (σ100600°) – до 335 МПа (рис. 2) для нового жаропрочного титанового сплава ВТ41. Улучшение прочностных характеристик и жаропрочности при введении дополнительных легирующих элементов связано, главным образом, с образованием некоторого количества карбидной фазы на основе вольфрама и упрочнением, вызванным дополнительным легированием α-твердого раствора железом, введенным в пределах растворимости.

Рис. 2. Механические свойства серийного сплава ВТ18У (□) и нового сплава ВТ41(■), полученные на штамповках дисков, изготовленных методом β-деформации (при испытании на МЦУ: N=104 цикл; R=0; f=10 Гц; Kt=3,35; rн=0,25 мм)
В то же время свойства, связанные с механизмом ползучести и распространения трещины, зависят не столько от вида легирования, сколько от типа структуры. Получение заданного типа микроструктуры материала детали определяется технологическими режимами деформации, используемыми при ее изготовлении, и последующей термической обработки [3].
Проследить, каким образом технологические режимы термомеханической обработки влияют на микроструктуру сплава и, как следствие, – на трещиностойкость и характеристики усталостной прочности можно на примере нового жаропрочного титанового сплава ВТ41, который предназначен для работы при температурах до 600°С. Полуфабрикаты, изготовленные (α+β)-деформацией, обладают глобулярно-пластинчатой структурой (рис. 3), которая обеспечивает повышенные характеристики усталостной прочности на мало- и многоцикловой базах испытаний (табл. 2). Метод β-деформации позволяет получить на полуфабрикатах пластинчатую структуру (рис. 3, а), которая обеспечивает повышенную жаропрочность и трещиностойкость (табл. 2) [4].

Рис. 3. Микроструктура полуфабрикатов из сплава ВТ41: а – пластинчатая (штамповка, β-деформация); б – глобулярно-пластинчатая (штамповка диска, (α+β)-деформация); в – глобулярно-пластинчатая (пруток, (α+β)-деформация)
Таблица 2
Механические свойства нового отечественного и зарубежного жаропрочных титановых сплавов [2, 3, 5, 6]
Сплав | Полуфабрикат, состояние | σв | σ0,2 | σв600° | σ100600° | (МЦУ/МнЦУ): σR* , МПа, при N=2×104/N=2×107 цикл |
МПа | ||||||
ВТ41 | Штамповка (b-деформация), отожженное состояние | 1030 | 945 | 720 | 330 | 930/410 |
Штамповка ((α+β)-деформация), отожженное состояние | 1080 | 1020 | 660 | 295 | 970/490** | |
IMI834
| Штамповка, пруток ((a+b)-деформация), закалка и старение | 1040 | 935 | 660 | 300 | 915/470 (N=107 цикл) |
*Для МЦУ: R=0; f=10 Гц; для МнЦУ: R=-1;
** Катаный пруток, закалка и старение.
По данным, приведенным в табл. 2, можно сделать вывод, что эксплуатационные свойства нового жаропрочного титанового сплава ВТ41 не только превышают свойства серийного сплава ВТ18У, но и превосходят свойства зарубежного жаропрочного титанового сплава-аналога IMI834.
Однако предел рабочих температур жаропрочных титановых сплавов типа ВТ18У, ВТ41 и IMI834 составляет 550–600°С, что является недостаточным для деталей компрессора и турбины ГТД нового поколения. Поэтому в течение последних лет внимание разработчиков и исследователей всего мира приковано к новому классу материалов. Благодаря высоким удельным прочностным характеристикам, рабочей температуре >600°С и стойкости к окислению и возгоранию [7, 8], интерметаллидные сплавы на основе алюминидов титана, а именно на основе орто-фазы Ti2AlNb, являются наиболее перспективными материалами для изготовления деталей последних ступеней компрессора и турбины ГТД нового поколения.
Типичными представителями интерметаллидных титановых орто-сплавов являются сплавы, приведенные в табл. 3.
Таблица 3
Интерметаллидные сплавы на основе орто-фазы (Ti2AlNb) [2, 9]
Сплав | Система легирования | Страна-разработчик |
22–27 22–25 ВТИ-4 ВИТ1 | Ti–Al–Nb Ti–Al–Nb–(Mo, Zr, Si) Ti–Al–Nb–(Zr, Mo)–Si Ti–Al–Nb–(Zr, Mo, Ta, W)–(Si, C) | США Франция РФ (ФГУП «ВИАМ») РФ (ФГУП «ВИАМ») |
Современные орто-сплавы в качестве легирующих элементов (кроме ниобия) содержат также элементы: Mo, V, Ta, W и Zr. Выбор указанных элементов обусловлен тем, что в тройных сплавах Ti–Al–Nb они повышают упругие и прочностные свойства, снижают окисляемость, а за счет изменения фазового состава и структурных превращений позволяют сформировать многочисленные типы структур с повышенными прочностными и пластическими характеристиками и параметрами надежности [9–12]. Для повышения жаропрочных свойств в сплавы вводят Si и С, которые благодаря образованию сложных силицидов, карбидов и дисперсного упрочнения, повышают температурные характеристики – кратковременную и длительную прочность композиций.
Повышенные жаропрочные свойства орто-сплавов наблюдаются при легировании их тугоплавкими элементами, однако повышенное легирование нецелесообразно, поскольку увеличивается плотность сплавов и снижается пластичность, что приводит к уменьшению удельных жаропрочных характеристик и ухудшению технологичности. Преодоление указанных трудностей достигается путем разработки экономнолегированных орто-сплавов и использования технологий производства титановых сплавов, позволяющих за счет твердорастворного, дисперсионного и структурного упрочнения орто-фазы сохранить хорошую технологичность при сохранении приемлемой жаропрочности. Используя указанные приемы и методы, во ФГУП «ВИАМ» разработаны орто-сплавы ВТИ-4 и ВИТ1 [9, 13].
В табл. 4 представлены физико-механические свойства интерметаллидных титановых сплавов на основе орто-фазы (Ti2AlNb).
Таблица 4
Физические и механические свойства интерметаллидных титановых сплавов на основе орто-фазы [2, 9]
Сплав | d, г/см3 | σв, МПа | δ, % | σв/d, км (усл. ед.) | σв650° | σ100650° | σ100650° /d км (усл. ед.) |
МПа | |||||||
22–27 22–25 ВТИ-4 (лист 2,5 мм) ВИТ1 (пруток 25 мм) | 5,4 5,39 5,1
5,3 | 1080 1415 1150
1250 | 5,1 4,6 8,0
6,0 | 200,0 262,5 225,5
236,0 | 850 944 950
1150 | 340 – 350
450 | 63,0 – 68,5
85,0 |
Хотя интерметаллидные сплавы на основе орто-фазы Ti2AlNb являются наиболее перспективными материалами для изготовления деталей последних ступеней компрессора и турбины ГТД нового поколения, освоение орто-сплавов в промышленном масштабе сдерживается рядом трудностей, которые вызваны специфическими особенностями (большое количество легирующих элементов, повышенная температура плавления и вязкость расплавов, трудность точного определения основных компонентов) и использованием мощного металлообрабатывающего оборудования для производства конечных деформированных полуфабрикатов – штамповок, поковок, листов, прутков и пр. Поэтому оптимизация химического состава, технологий выплавки и деформации, направленная на повышение характеристик пластичности, технологий механической обработки, изучение кинетики структурно-фазовых превращений, происходящих при термомеханической обработке, являются первоочередными задачами при исследовании интерметаллидных титановых сплавов [12–15].
В настоящее время проводятся работы по освоению разработанных интерметаллидных титановых сплавов на базе промышленных предприятий и их внедрению в перспективные изделия. Одновременно с этим продолжаются работы по дальнейшему совершенствованию композиций сплавов и технологий их металлургического производства в соответствии со стратегическими направлениями развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года [16–18]. Требования, предъявляемые конструкторами к материалам для модернизируемых и новых изделий авиационной техники, ставят перед разработчиками материалов все новые задачи.
- Иноземцев А.А., Башкатов И.Г., Коряковцев А.С. Титановые сплавы в изделиях разработки ОАО «Авиадвигатель». Современные титановые сплавы и проблемы их развития: Сборник. М.: ВИАМ. 2010. С. 43–46.
- Ильин А.А., Колачев Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства. Справочник. М.: ВИЛС–МАТИ. 2009. 520 с.
- Кашапов О.С., Павлова Т.В., Ночовная Н.А. Влияние режимов термической обра-ботки на структуру и свойства жаропрочного титанового сплава для лопаток КВД //Авиационные материалы и технологии. 2010. №2. С. 8–13.
- Проходцева Л.В., Филонова Е.В., Наприенко С.А., Моисеева Н.С. Исследование закономерностей развития процессов разрушения при циклическом нагружении сплава ВТ41 /В сб. Авиационные материалы и технологии: Юбилейный науч.-технич. сб. (приложение к журналу «Авиационные материалы и технологии»). М.: ВИАМ. 2012. С. 407–411.
- Gey N., Bocher P., Uta E., Humbert M., Gilgert J. How texture and microtexture influence dwell fatigue lifetime in forged IMI834 titanium alloys /In: Ti-2011: Proceedings of the 12th World Conference on Titanium. 2011. V. 1. P. 879–883.
- TMC-0614. Timet Datasheet alloy 834 – Timet. 2000. 3 p. /http://www.timet.com/images/document/datasheets/alphaalloys/834.pdf.
- Ночовная Н.А., Алексеев Е.Б., Изотова А.Ю., Новак А.В. Пожаробезопасные ти-тановые сплавы и особенности их применения //Титан. 2012. №4. С. 42–46.
- Борисова Е.А., Скляров Н.М. Горение и пожаробезопасность титановых сплавов / Под редакцией Каблова Е.Н. М.: ВИАМ. 2007. 87 с.
- Иванов В.И., Ночовная Н.А. Интерметаллиды на основе титана //Титан. 2007. №1. С.44–48.
- Tang F., Nakazawa S., Hagiwara M. The effect of quaternary additions on the microstructures and mechanical properties of orthorhombic Ti2AlNb-based alloys //Material Science and Engineering A329-331. 2002. P. 494–498.
- Germann L., Banerjee D., Guedou J.Y., Strudel J.-L. Effect of composition on mechanical properties of newly developed Ti2AlNb-based titanium aluminide //Intermetallics. 2005. №13. P. 920–924.
- Titanium and titanium alloys. Fundamentals and applications /Ed. by Leyens C., Peters M. Wiley –VCH. Germany. 2003. 51 p.
- Ночовная Н.А., Иванов В.И., Алексеев Е.Б., Кочетков А.С. Пути оптимизации эксплуатационных свойств сплавов на основе интерметаллидов титана /В сб. Авиационные материалы и технологии: Юбилейный науч.-технич. сб. (приложе-ние к журналу «Авиационные материалы и технологии»). М.: ВИАМ. 2012. С. 196–205.
- Хаджиева О.Г., Илларионов А.Г., Попов А.А. Влияние водорода на процессы структурообразования и деформируемость сплава на основе орторомбического алюминида титана //Титан. 2012. №4. С. 21–26.
- Nochovnaya N., Izotova A., Alexeev E., Ivanov V. Opportunities of increase of mechanical properties of the deformed semifinished products from Ti–Al–Nb system alloys /In: Ti-2011. Proceedings of the 12th World Conference on Titanium. 2011. V. 2. P. 1383–1386.
- Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года /В сб. Авиационные материалы и технологии: Юбилейный науч.-технич. сб. (приложение к журналу «Авиационные материалы и технологии»). М.: ВИАМ. 2012. С. 1–7.
- Каблов Е.Н. ВИАМ. Направление главного удара //Наука и жизнь. 2012. №6. С. 14–18.
- Антипов В.В. Стратегия развития титановых, магниевых, бериллиевых и алюминиевых сплавов /В сб. Авиационные материалы и технологии: Юбилейный науч.-технич. сб. (приложение к журналу «Авиационные материалы и технологии»). М.: ВИАМ. 2012. С. 157–166.
