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 | KСТ |
% | 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, 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 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 | KСТ | 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.
- 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).
- 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.
- 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.
- 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.
- Способ термической обработки высокопрочных (α+β)-титановых сплавов: пат. 2465366 Рос. Федерация; опубл. 15.09.11.
- Способ термомеханической обработки изделий из титановых сплавов: пат. 2457273 Рос. Федерация; опубл. 05.04.11.
- Хорев А.И. Теоретические и практические основы повышения конструкционной прочности современных титановых сплавов // Технология легких сплавов. 2007. №2. С. 144–153.
- Хорев А.И. Разработка конструкционных титановых сплавов для изготовления деталей и узлов авиакосмической техники // Сварочное производство. 2009. №3. С. 13–23.
- 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.
- Каблов Е.Н. Шестой технологический уклад // Наука и жизнь. 2010. №4. С. 2–7.
- 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).
- Каблов Е.Н. Материалы для изделия «Буран» – инновационные решения формирования шестого технологического уклада // Авиационные материалы и технологии. 2013. №S1. С. 3–9.
- Хорев А.И., Белов С.П., Глазунов С.Г. Металловедение титана и его сплавов. М.: Металлургия, 1992. 352 с.
- 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.
- 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.