Актуальность темы исследования.
В настоящее время увеличиваются скорости полёта летательных аппаратов и возрастает температура аэродинамического нагрева их узлов. Происходит переоценка требований к деталям из жаропрочных титановых сплавов и на первый план выходят показатели экономичности и ресурса. КПД двигателей должен расти, следовательно, масса вращающихся деталей должна снижаться, и как следствие нужны материалы с высокой удельной прочностью.
В современных двигателях доля деталей из титановых сплавов занимает около 30-40%. Однако их максимальная рабочая температура составляет 550 °С (длительно) и 600 °С (кратковременно), поэтому нужно «двигаться» в сторону горячих ступеней. Для этого необходимо либо разрабатывать новые жаропрочные сплавы, либо оптимизировать существующие. В настоящее время, в основном, работы ведутся в первом направлении, т.е. разрабатываются новые составы (на основе интерметаллидов Т13Л1, ПЛ1, ТГЛ1НЪ). Реже, но всё-таки, появляются работы по усовершенствованию существующих жаропрочных титановых сплавов, например, микролегированием редкоземельными элементами. Экономически более выгодно доработать существующий сплав, так как в этом случае отсутствует необходимость первичной сертификации материала, изменения конструкторской документации на изделия и т. п.
Но в любом случае современный жаропрочный сплав на основе титана должен удовлетворять ряду требований. По крайней мере, сплав должен обеспечивать необходимый минимум целого комплекса свойств:
- высокое сопротивление ползучести при рабочих температурах и заданных нагрузках;
- высокие значения вязкости разрушения и низкие скорости роста трещины;
- высокие значения кратковременной и длительной прочности во всем интервале рабочих температур;
- термическая стабильность, т. е. способность сохранять определенный комплекс свойств во всем диапазоне рабочих температур и в течение всего времени эксплуатации;
- высокое сопротивление усталости во всем диапазоне рабочих температур;
- приемлемые технологические свойства и в первую очередь пластичность, обеспечивающие возможность получения стабильно качественных деталей.
Степень разработанности темы.
Детали из жаропрочного титанового псевдо-а-сплава ВТ18у применяются практически во всех российских самолетах, вертолетах и ракетах. Сплав является интересным как с технологической, так и с научной точек зрения. Жаропрочным сплавам на основе титана, в том числе и сплаву ВТ18у, посвящено много работ. Например, работы сотрудников ФГУП «ВИАМ» (Н. А. Ночовная и другие). В последние десятилетия результаты работ по псевдо-а-сплавам (Ti6242Si, IMI834), выполненных зарубежными двигателестроительными компаниями Honeywell, Rolls Royce plc, General Electric AE, SNECMA Moteurs совместно с ведущими университетами и лабораториями мира, показывают, что, по крайней мере, сопротивление ползучести можно повысить снижением таких примесей как Fe, Ni и Cr. Также, как показывает и мировой, так и собственный опыт ВСМПО - комплекс механических свойств можно существенно изменять в ту или в иную сторону варьированием легирующих элементов в пределах марки сплава.
Цель и задачи.
Целью данной работы является уточнение режима термической обработки полуфабрикатов и оптимизация химического состава сплава ВТ18у для обеспечения более высокого комплекса механических свойств при комнатной и повышенной температурах по сравнению с существующими на сегодняшний день.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Разработать интегральные характеристики механических свойств — комплексы механических свойств (КМС).
2. По результатам испытаний механических свойств на серийной продукции провести статистическое исследование влияния химических эквивалентов (факторов) на комплекс механических свойств (откликов) и выявить статистически значимые зависимости между факторами и откликами.
3. Уточнение режима термической обработки образцов для испытания механических свойств штамповок дисков из сплавов типа ВТ18у.
4. Исследовать влияние химических эквивалентов на механические свойства и КМС дисков из сплава ВТ18у и оптимизировать химический состав для получения более высокого уровня свойств по сравнению с сегодняшними.
5. Исследовать влияние примесей Fe, Ni и Cr на механические свойства прутков из сплава ВТ18у.
6. Исследовать влияние микролегирования гадолинием на служебные и механические свойства сплавов типа ВТ18у.
Научная новизна.
1. Впервые предложены численные комплексы механических механических
свойств: низкотемпературный (для свойств при комнатной температуре),
высокотемпературный (600 °C) и полный комплексы, которые являются средними арифметическими отношений фактически измеренных значений свойств к требуемым.
2. Впервые, для сплава ВТ18у, расчётное временное сопротивление разрыву при комнатной температуре и при 600 °C и полное удлинение при ползучести (при 600 °C) аппроксимирована зависимостью от химических эквивалентов теории Юм- Розери и эквивалента по кислороду.
3. Проведена оптимизация химического состава сплава на основе ограничений по химическим эквивалентам и связи их с комплексами механических свойств.
4. Впервые, для сплава ВТ18у, доказано улучшение жаропрочных свойств (общая пластическая деформация при ползучести и длительная прочность) и вязкостных характеристик КСИ и КСТ при увеличении величины химического эквивалента 81/[Рс]. где [Ре] — эквивалент по железу.
5. Выполнено исследование влияния микролегирования сплава ВТ18у гадолинием (0.4 мас. %) на структуру и механические свойства прутков. Показано. что при микро легировании размер в -зерна уменьшается; возрастают и прочностные и пластические характеристики при комнатной температуре; существенно увеличиваются пластические характеристики при 600 °С; однако ударная вязкость КСТ уменьшается и несколько снижается длительная прочность.
Теоретическая значимость.
1. Предложены научные подходы к анализу формирования структуры и свойств жаропрочных титановых сплавов с использованием новых критериев оценки комплексов свойств на примере сплава ВТ18у.
2. Показаны закономерности влияния легирования на механические свойства сплава ВТ18у. Установлена взаимосвязь химического состава сплава через химические эквиваленты. включая отношения 2г/81 и Б1/[Рс + Сг + 6№] с формирующимся комплексом служебных свойств.
Практическая значимость.
1. Предложен химический состав ВТ18у в рамках марки сплава и режим термической обработки. позволяющие получать более высокий комплекс механическим свойств по сравнению с существующим на сегодняшний день.
2. Показано отрицательное влияние примесей Ре. N1 и Сг на ползучесть. длительную прочность и вязкость разрушения.
3. Показано. что введение гадолиния в сплав ВТ18у приводит к обеднению матрицы кислородом и оловом. что в свою очередь приводит к снижению прочности основы и её жаростойких свойств. Поэтому. несмотря на рост некоторых механических свойств. микролегирование гадолинием в количестве 0,4 мас. % нецелесообразно.
Методология и методы исследования.
Методологической основой исследования послужили работы ведущих зарубежных и российских учёных в области жаропрочных титановых сплавов. отраслевые стандарты РФ и спецификации зарубежных компаний. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были использованы следующие методы исследования: статистический анализ. растровая электронная микроскопия. инструментальные методы измерения механических свойств. инструментальные методы определения химического состава.
Положения, выносимые на защиту.
1. Влияние легирования основными элементами и микролегирования гадолинием на выделение интерметаллидных фаз в сплаве ВТ18у.
2. Зависимость комплексов механических свойств от химических эквивалентов и процедура оптимизации химического состава сплава ВТ18у.
3. Роль примесей Fe, Ni и Cr в формировании механических свойств прутков из сплава ВТ18у.
4. Результаты исследований влияния легирования гадолинием на жаростойкость сплавов ВТ9 и ВТ18у при температурах 600...800 °C.
Степень достоверности результатов подтверждается использованием современного сертифицированного оборудования, аттестованного по международным стандартам; применением комплекса взаимодополняющих современных методов экспериментального и статистического исследования.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на конференциях:
1. Proceedings of AeroMat Conference & Exposition. May 7-10, 2018.
Gaylord Palms Resort & Convention Center, Orlando FL.
2. Всероссийская научно-техническая конференция «Современные достижения в области создания перспективных легких сплавов и покрытий для авиационной и космической техники». 10.04.2021, г. Москва. ФГУП «ВИАМ».
Публикации. Результаты диссертации отражены в 6 публикациях в рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК РФ и Аттестационным советом УрФУ; защищены патентом РФ на изобретение.
Личный вклад. Диссертация является законченной научной работой, в которой обобщены результаты исследований, полученные лично автором и в соавторстве. Основная роль автора - в самостоятельно выполненном анализе состояния вопроса по теме диссертации, формулировании цели и задач работы, проведении экспериментальных исследований, анализе и обобщении полученных данных, формировании выводов, полученных в результате выполнения работы. Обсуждение и интерпретация полученных результатов проводилась совместно с научным руководителем и соавторами публикаций. Автор лично участвовал и руководил всеми этапами изготовления полуфабрикатов, испытаний механических свойств, лабораторных исследований и реализации численных методов на ЭВМ. Основные положения и выводы диссертационной работы сформулированы автором.
Структура и объём диссертации. Диссертация изложена на 113 страницах, содержит 32 таблицы, 62 рисунка, 43 формулы. Работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы из 142 наименований.
1. Показано, что распад метастабильных фаз в сплаве ВТ18у идет с образованием частиц интерметаллидных фаз: на межфазной а/р-границе раздела при температуре старения выше 600 °С наблюдается зарождение и последующий рост со стороны р-фазы силицидов типа 81; повышение температуры старения активизирует их рост, а также частично трансформацию некоторой доли из них в силициды типа 82 и 83 за счет обогащения их кристаллической решетки атомами циркония. В пластинах а-фазы происходит выделение дисперсных частиц оъ-фазы.
Повышение концентрации легирующих элементов (А1. 2г. 8п и Б1) в пределах марки сплава ВТ18у, активизирует выделение большей объемной доли интерметаллидных частиц при старении, приводя к более значительному эффекту дисперсионного твердения сплава, способствуя формированию более высокого комплекса прочностных характеристик. В сплаве с меньшим содержанием легирующих элементов при высоких температурах старения уменьшается объемная доля а2-фазы вследствие активного образования силицидных частиц и обеднения твердого раствора по алюминию, что затрудняет процесс образования упорядоченной фазы.
2. Впервые введены численные характеристики комплексов механических свойств (КМС): низкотемпературный. высокотемпературный и полный КМС и использованы интегральные химические эквиваленты (ХЭ). Показано. что отдельные механические свойства и КМС существенно зависят от относительного среднеквадратичного отклонения радиусов химических элементов. Установлены математические зависимости временного сопротивления разрыву при комнатной температуре и 600 °С и общей пластической деформации при ползучести от параметров теории Юм-Розери и эквивалента по кислороду.
3. Уточнён режим термической обработки из сплавов типа ВТ18у: Тпп-80 °С. 1 час. охлаждение на воздухе; 620 °С. 4 часа. охлаждение на воздухе.
4. Впервые. методом минимизации нескольких конфликтующих целевых функций со многими критериями (ограничения по КМС и по ХЭ) определён оптимальный химический состав сплава ВТ18у. удовлетворяющий целевым требованиям (А1=7.0 мас. %; 2г=3.5 мас. %; 8п=2.6 мас. %; N6=1.1 мас. %; Мо=0.7 мас. %; 81=0.13 мас. %; 0=0.105 мас. %). который рекомендуется к использованию.
5. Установлено. что снижение содержания примесей (Ре. N1. Сг) способствует увеличению характеристик жаропрочности и вязкости сплава ВТ18у. Для рекомендуемого состава влияние примесей наиболее существенно.
6. Установлено. что микролегирование в количестве 0.4 Об. способствует измельчению Р-зерна в сплаве ВТ18у. но сопровождается образованием сложных интерметаллидных частиц системы Об-8п с присутствием кислорода. В результате повышаются пластические свойства, но понижаются характеристики жаропрочности и вязкости. Твёрдорастворное упрочнение не достигнуто.
Существенного влияния легирования гадолинием на характеристики жаростойкости в работе не установлено. Незначительное повышение жаростойкости наблюдается только при температуре 800 °C.
Таким образом, целевой состав сплава марки ВТ18у Al=7,0 мас. %; Zr=3,5 мас. %; Sn=2,6 мас. %; Nb=1,1 мас. %; Mo=0,7 мас. %; Si=0,13 мас. %; 0=0,105 мас. % при выполнении условия Si/[Fe + Cr + 6Ni] > 3 рекомендуется к промышленному внедрению.
Перспективы дальнейшей разработки темы. Разработка технологии производства титановой губки с пониженным содержанием железа. Усовершенствование технологии получения промышленных слитков сплава ВТ18у, снижающей зональную ликвацию. Исследование распределения быстрых диффузоров в пределах зерна до и после испытаний на длительную прочность. Исследование влияния примесей Fe, Ni и Cr на мало- и многоцикловую усталость. Оптимизация полученного химического состава по другим легирующим элементам сплава.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
