Влияние эксплуатационной температуры на скорость роста трещины усталости в интерметаллидном титановом сплаве

УДК 669.017.165:669.295

М.А. Горбовец, М.С. Беляев, И.А. Ходинев

ВЛИЯНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ НА СКОРОСТЬ РОСТА ТРЕЩИНЫ УСТАЛОСТИ В ИНТЕРМЕТАЛЛИДНОМ ТИТАНОВОМ СПЛАВЕ

Особый интерес для авиационного двигателестроения представляют титановые сплавы с рабочими температурами выше 550°С. Одними из наиболее перспективных являются интерметаллидные титановые орто-сплавы.

В работе исследованы штамповки из нового жаропрочного интерметаллидного (орто) титанового сплава на основе соединения Ti2NbAl с пластинчато-глобулярной структурой.

Исследования СРТУ сплава проводили при рабочих температурах: 20, 600 и 650°С. Показано, что изменение температуры значительно влияет на сопротивление сплава распространению трещины.

Ключевые слова: усталость, скорость роста трещины, СРТУ, цикл погружения, трещина, уравнение Периса, коэффициент интенсивности напряжения, КИН, титановый сплав, интерметаллид.

Titanium alloys with operating temperatures higher than 550°C are very attractive for application in aircraft engines. Intermetallic alloys based on orthorhombic titanium aluminide are most promising of them.

Forgings made of a new intermetallic alloy based on orthorhombic titanium aluminide (Ti2NbAl) with laminar-globular structure were investigated in this work.

FCGR was studied at three temperatures: 20, 600 and 650°C. It was shown that the temperature variations had a noticeable influence on FCGR.

Key words: fatigue, crack growth rate, FCGR, cycle of load, crack, Paris curve, stress intensity factor, titanium alloy, intermetallic alloy.

Скорость роста трещины усталости (СРТУ) является необходимой составляющей в комплексе механических свойств, характеризующем надежность материалов для авиационной техники [1-3]. Действующие требования предусматривают ее обязательное определение для материалов основных деталей авиационного двигателя.

Применение титановых сплавов с рабочими температурами >550°С позволит резко увеличить эффективность двигателя, что является первостепенной задачей при разработке двигателей нового поколения. Создание материалов на основе ин-терметаллидов титана, в первую очередь на базе алюминидов, является актуальной задачей [4-8]. Основными направлениями в создании таких материалов стали сплавы на основе Т^А1 (супер а2-сплавы), (у-сплавы) и Т^№А1 (орто-

сплавы) [4-9]. Однако современные супер а2- и у-сплавы не удовлетворяют конструкторским требованиям из-за низких механических свойств [10, 11]. В работах [6-10, 12, 13] авторами отмечен более высокий уровень механических свойств интерме-таллидных орто-сплавов: прочности, пластичности и жаропрочности, вязкости разрушения и пожаро-безопасности до температуры 700°С. Повышенная технологичность этих сплавов при горячей обработке давлением позволяет изготовлять различные виды деформированных полуфабрикатов (плиты, штамповки, листы и др.) с лучшим уровнем механических свойств, чем у а2- и у-сплавов. Несмотря на преимущества, орто-сплавам свойственны и недостатки: сложность при металлур-

гическом производстве, повышенные плотность и стоимость [6, 11, 12, 14-16].

Для исследования СРТУ выбраны штамповки из нового жаропрочного интерметаллидного (орто) титанового сплава на основе соединения Т^№А1, полученные из литых заготовок, подвергнутых свободной ковке на промежуточные заготовки и последующей изотермической штамповке, после чего следовала стандартная упрочняющая термическая обработка. В результате этих операций штамповки имели глобулярно-пластинчатую микроструктуру с размером зерна 50-60 мкм, сферическими выделениями а2-фазы (3-5 мкм) и пластинчатыми выделениями орто-фазы шириной ~5 мкм и длиной до 20-25 мкм. Температуры испытания выбраны исходя из области применения сплава и составили 20, 600 и 650°С.

Испытания на СРТУ проведены по методике, соответствующей требованиям стандарта ASTM Е647 и РД 50-345-82 [17]. Испытания проводили на компактных образцах типа «СТ» с базовым размером W=50 мм, толщиной 5=10 мм и прямым надрезом, выполненном электроискровым способом (радиус в вершине надреза гн=0,2 мм), при внецентренном растяжении на сервогидравличе-ской испытательной машине <^Лепск PSB25». Частота нагружения / при испытании составляла 15 Гц, коэффициент асимметрии цикла нагружения ^=0,1. Длину трещины измеряли методом податливости при помощи датчика раскрытия трещины фирмы <^Лепск». Управление испытанием и сбор данных осуществлялись при помощи

компьютера со специализированным программным обеспечением.

Испытание начиналось с выращивания предварительной трещины при комнатной температуре при постоянных частоте и коэффициенте асимметрии, размах коэффициента интенсивности напряжений (ДК) уменьшался ступенчато с увеличением длины трещины. Нанесение трещины начинали при ДК=12,7 МПа л/мм и заканчивали - при 9 МПа -//мм до достижения общего приращения длины нанесенной трещины 1,5-2 мм. Для всех испытанных образцов исходная трещина была расположена в плоскости, перпендикулярной направлению действия приложенной нагрузки, и имела одинаковую длину по фронту развития. Далее проводили испытания образца с нанесенной трещиной при температурах 20, 600 и 650°С. Поддерживали постоянный размах нагрузки ДР, величина которой превышала приложенную на завершающем этапе нанесения исходной трещины. Начальная величина размаха коэффициента интенсивности напряжений составляла ДК=9,5 МПа л/мм и постоянно увеличивалась в процессе испытаний вследствие роста трещины усталости.

Схематизированная кинетическая диаграмма усталостного разрушения титанового сплава на основе соединения Т^КЪА1 для температур испытания 20

Анализируя характер макроразрушения, установлено, что процесс разрушения идет строго в направлении от вершины надреза вглубь образца. В целом поверхность разрушения имеет плоский характер и располагается перпендикулярно направлению действия приложенной нагрузки. По траектории продвижения трещины усталости отсутствуют выпучивания, сужающие сечение образца перед фронтом трещины и искажающие результаты испытаний, что говорит о корректности проведения испытания.

По результатам испытаний построены кинетические диаграммы усталостного разрушения [18], по которым определяли СРТУ. Диаграммы строили, используя программное обеспечение фирмы <^сЬепск». Схематизированные диаграммы для температур испытания 20, 600 и 650°С приведены на рисунке.

Как видно из диаграммы, СРТУ для всех температур находятся в интервале 10"8-10"5 м/цикл. Значения коэффициента интенсивности напряжений ДК при температуре испытания 20°С существенно ниже, чем при температурах 600 и 650°С. Заметна тенденция: с увеличением температуры уменьшается тангенс угла наклона линейного участка и увеличивается интервал ДК между началом и концом этого участка. Если сравнивать результаты при температурах 600 и 650°С, то видно, что в интервале ДК от 10 до 35 МПа Тмм скорость роста трещины при более высокой температуре несколько выше (~3 раза), хотя начиная с 35 МПа --/мм при 600°С скорости становятся на порядок выше, чем при 650°С. Численные результаты испытаний для линейных участков диаграмм приведены в таблице.

По результатам исследования можно сделать вывод, что при высоких рабочих температурах интерметаллидный жаропрочный титановый орто-сплав на основе Т^МЪА1 характеризуется более высоким сопротивлением распространению трещины усталости, чем при комнатной температуре. Аналогичные зависимости приведены в работе Германского аэрокосмического центра (DLR) для сплава того же класса [13]. Такая температурная зависимость резко отличается от никелевых сплавов, где ситуация обратная.

Результаты испытаний на скорость роста трещины усталости (СРТУ) жаропрочного интерметаллидного титанового сплава на основе ^2№ЪА1

ДК, МПа л/мм СРТУ: d//d^Ч0o, м/цикл, при температуре испытания, °С

20 600 650

10,5 0,096 - -

12,5 0,292 - -

13,5 0,451 - -

21 - 0,202 -

31 - 0,583 0,519

41 - 1,26 0,778

62 - - 1,367

ЛИТЕРАТУРА

1. Биргер И.А., Балашов Б.Ф., Дульнев P.A. и др. Конструкционная прочность материалов и деталей газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение. 1981. 222 с.

2. Серенсен C.B., Когаев В.П., Шнейдерович P.M. Несущая способность и расчет деталей машин на прочность: Руководство и справочное пособие. М.: Машиностроение. 1975. 488 с.

3. Орлов М.Р. Стратегические направления развития Испытательного центра ФГУП «ВИАМ» //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 387-393.

4. Каблов E.H. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7-17.

5. Антипов В.В. Стратегия развития титановых, магниевых, бериллиевых и алюминиевых сплавов //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 157-167.

6. Ночовная H.A., Иванов В.И. Интерметаллиды на основе титана (Анализ состояния вопроса) //Титан. 2007. №1. С. 44-48.

7. Анташев В.Г., Ночовная H.A. Современное состояние и тенденции развития исследований в области титановых сплавов //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2008. №3. С. 24-27.

8. Анташев В.Г., Ночовная H.A., Павлова Т.В., Иванов В.И. Жаропрочные титановые сплавы //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2007. №3. С. 7-8.

9. Иванов В.И., Ночовная H.A. Перспективные жаропрочные материалы на основе алюминидов титана /В сб. Труды Международной науч.-технич. конф. «Научные идеи С.Т. Кишкина и современное материаловедение». М.: ВИАМ. 2006. С. 98-103.

10. Иванов В.И., Ясинский К.К. Эффективность применения жаропрочных сплавов на основе интерметал-лидов Ti3Al и TiAl для работы при температурах 600-800°С в авиакосмической технике //Технология легких сплавов. 1996. №3. С. 63-68.

11. Ночовная Н.А. Перспективы и проблемы применения титановых сплавов /В сб. Авиационные материалы и технологии. Вып. Перспективы развития и применения титановых сплавов для самолетов, ракет, двигателей и судов. М.: ВИАМ. 2007. С. 4-8.

12. Ночовная Н.А., Иванов В.И., Алексеев Е.Б., Кочетков А.С. Пути оптимизации эксплуатационных свойств сплавов на основе интерметаллидов титана //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 196-206.

13. Kumpfert J. Intermetallic Alloys Based on Orthorhombic Titanium Aluminide //Advanced Engineering Materials. 2001. V. 3. №11. P. 851-864.

14. Kumpfert J., Leyens C. Orthorhombic Titanium Aluminides: Intermetallic with Improved Damage Tolerance /In: Titanium and Titanium Alloys Fundamentals and Application. Willey-VCH, GmbH & Co. KGaA, Wienheim. 2003. P. 59-88.

15. Appel F., Oehring M. y-Titanium Aluminide alloys: Alloys Design and Propereties /In: Titanium and Titanium Alloys Fundamentals and Application. Willey-VCH, GmbH & Co. KGaA, Wienheim. 2003. P. 89-152.

16. Ночовная H.A., Алексеев Е.Б., Ясинский K.K., Кочетков А.С. Специфика плавки и способы получения слитков интерметаллидных титановых сплавов с повышенным содержанием ниобия //Вестник московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2011. №SP2. С. 53-59.

17. Горбовец М.А., Беляев М.С., Ходинев НА. Методика испытаний на скорость роста трещины усталости нового жаропрочного интерметаллидного титанового сплава //ТестМат-2012: Материалы конференции. М. ВИАМ. 2012. (электронное издание локального распространения).

18. Терентьев В.Ф. Циклическая прочность металлических материалов: Учебное пособие. Новосибирск: НГТУ. 2001. 61 с.