Высокопрочные титановые сплавы в авиационных конструкциях

В.Н. Моисеев, Ю.А. Грибков, Ю.И. Захаров

ВЫСОКОПРОЧНЫЕ ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ В АВИАЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЯХ

В данной статье рассматривается применение высокопрочных титановых сплавов (разработка В.Н. Моисеева, Ю.А. Грибкова, Ю.И. Захарова и др.).

По классификации титановых сплавов, предложенной В.Н. Моисеевым, сплав ВТ 16 относится к (а+Р)-сплавам мартенситного класса, сплав ВТ22 является сплавом переходного класса, а сплавы ВТ35 и ВТ32 относятся к псевдо-Р-сплавам, т. е. к Р-сплавам с метастабильной Р-фазой.

Принципиальной отличительной особенностью сплавов переходного класса, и в частности сплава ВТ22, является максимальная степень гетерогенизации их структуры в отожженном состоянии по сравнению с другими (а+Р)- и Р-сплавами. Благодаря этому сплавы переходного типа обладают более высокой по сравнению с другими сплавами прочностью в отожженном состоянии.

Кроме того, высокая прочность сплавов переходного класса в термически упрочненном состоянии достигается при оптимальном соотношении доли упрочнения вследствие действия двух основных механизмов упрочнения, а именно путем легирования а- и Р-твердых растворов и за счет распада метастабильной Р-фазы с выделением дисперсных частиц а-фазы при старении. Оптимальность этого соотношения, а также сбалансированное легирование сплава изоморфными и эвтектоидообразующими Р-стабилизирующими элементами обусловливает высокий уровень механических свойств сплавов переходного класса, и в частности сплава ВТ22.

Одним из существенных преимуществ сплавов переходного класса является возможность достижения высокой прочности в полуфабрикатах больших толщин. Эти сплавы при закалке с температур двухфазной области закаливаются на воздухе, что обусловлено достаточно высоким уровнем легирования этих сплавов Р-стабилизирующими элементами. Коэффициент стабилизации Р-фазы этих сплавов соответствует диапазону Кр=1,1-1,4. Благодаря этому возможно осуществление безокислительной мягкой упрочняющей термической обработки деталей и сварных узлов из сплава ВТ22 в арго-но-вакуумных печах, обеспечивающей получение гарантированного уровня прочности ов>1080 МПа.

Типичный уровень механических свойств штамповок из сплава ВТ22, термически обработанных на гарантируемый уровень прочности 1080 МПа, приведен в табл. 1.

Таблица 1

Механические свойства штамповок из сплава ВТ22

Модуль упругости Е, ГПа Предел прочности ов Предел текучести о0,2 Относительное удлинение 5 Относительное сужение у Предел выносливости о_ь МПа

М] Па %

114,3 1130-1170 1050-1090 8-12 25-40 530

Приоритет в разработке высокопрочного свариваемого титанового сплава переходного класса принадлежит нашей стране. Кроме того, впервые в мировой практике такой сплав был широко применен в самолетных конструкциях также в нашей стране. В ВИАМ работы по исследованиям и внедрению этого сплава в изделия авиационной техники проводились под руководством С.Г. Глазунова и В.Н. Моисеева. Первый опыт масштабного применения сплава ВТ22 для изготовления силовых деталей и узлов планера был получен при создании уникального (даже по сегодняшним меркам) изделия Т-4 (изд. «100») - дальнего сверхзвукового ударного самолета, разработанного в ОКБ Сухо-

го. Опытные экземпляры этого самолета были построены, однако дальнейшие работы по самолету Т-4 были прекращены, но не по техническим, а по политическим причинам.

Вторым и решающим этапом в применении сплавов ВТ22, ВТ 16 и ряда других титановых сплавов явилось создание транспортного самолета Ил-76. Большой опыт, накопленный при создании первых экземпляров и при освоении серийного производства этого самолета, в дальнейшем был использован применительно к другим самолетам КБ Ильюшина - Ил-86, Ил-96, Ил-96-300. Сплавы ВТ22 и ВТ16 были широко применены также в изделиях КБ Антонова, Яковлева, Микояна, Бериева. Сплав ВТ22 нашел широкое применение в конструкциях пассажирских, транспортных и маневренных самолетов для изготовления лонжеронов, нервюр, шпангоутов, балок, гидроцилиндров, деталей механизации крыла (кареток, монорельсов, закрылков и предкрылков, кронштейнов, качалок), а также ушковых болтов, компенсационных пружин в системе управления, силовых деталей и сварных узлов конструкции шасси.

В последние годы как в нашей стране, так и за рубежом проявляется тенденция к расширению объема применения высокопрочных титановых сплавов в элементах силового набора крыла, хвостового оперения и фюзеляжа. Это связано с увеличением объема применения в новых изделиях углепластиковых композиционных материалов. С целью предотвращения в таких конструкциях контактной коррозии деталей из алюминиевых сплавов в паре с углепластиками, при проектировании таких самолетов алюминиевым сплавам предпочитают высокопрочные титановые сплавы, в том числе и сплав ВТ22.

Более подробно следует рассмотреть использование сплава ВТ22 в шасси самолетов. Этот сплав успешно применен в конструкциях шасси 10 марок самолетов, в том числе пассажирских и транспортных широкофюзеляжных самолетов Ил-76, Ил-86, Ил-96, Ил-96-300, Ан-124(«Руслан») и Ан-225 («Мрия»). Впервые в мировой практике высокопрочный титановый сплав был применен взамен стали в конструкции шасси средне-магистрального транспортного самолета Ил-76, а затем и среднемагистрального пассажирского самолета Ил-86. Кроме того, до настоящего времени только в нашей стране в шасси транспортных и пассажирских самолетов такие ответственные крупногабаритные детали, как траверсы, коромысла тележки и некоторые другие, применяются не в монолитном, а в сварном варианте. Это также обеспечивает дополнительное снижение массы и трудоемкости изготовления конструкций шасси.

Из сплава ВТ22 изготовляют такие детали шасси, как траверсы, подкосы, шлиц-шарниры, цапфы, рычаги разворота переднего шасси, коромысла тележки, тормозные рычаги, тяги, оси колес. На рис. 1 показаны детали из сплава ВТ22 конструкций шасси транспортных самолетов Ил-76 и Ан-124, а также пассажирского самолета Ил-96-300. Доля сплава ВТ22 в конструкциях шасси этих самолетов составляет соответственно 40, 27 и 35% (по массе). Общая масса деталей и сварных узлов из сплава ВТ22 составляет в самолетах Ил-96-300, Ил-76 и Ан-124 («Руслан») 290; 410 и 2430 кг соответственно. Снижение массы деталей и узлов шасси благодаря применению титанового сплава ВТ22 взамен стали составляет 15-20%.

а) б) в)

Л-

Рис. 1. Детали конструкций шасси самолетов из сплава ВТ22: а - траверса носового шасси Ил-76; б - траверса основного шасси Ан-124; в - коромысло тележки шасси Ил-96-300

В отличие от высокопрочных сталей титановый сплав ВТ22, как и другие серийные титановые сплавы, не склонен к коррозионному растрескиванию (коррозии под напряжением) при длительной эксплуатации в климатических условиях, в связи с чем применение этого сплава особенно эффективно для шасси самолетов с большим ресурсом эксплуатации: 30-40 лет, а также для шасси самолетов-амфибий типа Бе-200.

На основе сплава ВТ22 в лаборатории титановых сплавов ВИАМ разработаны еще три сплава ВТ22И, ВТ37 и ВТ22ПТ.

Высокопрочный титановый сплав ВТ22И предназначен для изготовления точных штамповок (панелей, крышек люков, кронштейнов, рычагов, ушковых болтов) способом изотермического деформирования.

Сплав обладает высокой технологической пластичностью и деформируется с пониженными усилиями при штамповке в изотермических условиях. Это позволяет изготовлять точные штамповки сложной формы, используя менее дорогие материалы для изготовления штампов в связи с возможностью снижения температур деформирования

до 850-700°С. На рис. 2 представлена зависимость удельных давлений при изотермическом деформировании сплава ВТ22И от температуры деформирования в сравнении с параметрами обработки сплава Ti-6Al-4V (ВТ6).

Рис. 2. Зависимость удельных давлений при изотермическом деформировании сплавов В Т22И (  ) и ВТ6 ( * ) от температуры деформирования

Применение сплава ВТ22И для изготовления штамповок способом изотермического деформирования обеспечивает возможность получения полуфабрикатов с однородной мелкозернистой структурой, с высоким и стабильным уровнем механических свойств, с припусками на механически обрабатываемых поверхностях до 0,5 мм, а на необрабатываемых поверхностях с допусками до ±0,1 мм. При этом достигается снижение стоимости штампов в 1,5 раза, увеличение коэффициента использования металла (КИМ) в 2 раза, снижение трудоемкости механической обработки деталей на 30-40%.

Сплав ВТ37 дополнительно к составу сплава ВТ22 легирован добавками олова и циркония. Такое дополнительное легирование обеспечивает этому сплаву повышенную прочность при температурах до 350°С, которая может быть реализована в деталях большой толщины - до 200 мм.

Сплав ВТ22ПТ дополнительно легирован углеродом и бором и изготовляется методом гранульной металлургии. Благодаря высокой скорости кристаллизации гранул при использовании этой технологии предотвращается выделение грубых частиц карбидов и боридов титана, особенно по границам зерен, в результате чего в охлажденных гранулах фиксируется пересыщенный углеродом и бором Р-твердый раствор. При термической обработке, осуществляемой по специальному режиму, достигается внутризеренное выделение дисперсных частиц карбидов и боридов титана, дополнительно упрочняющих сплав. При этом эффект дополнительного повышения предела прочности отмечается как при комнатной, так и при повышенных температурах (до 400°С).

Высокопрочный сплав ВТ 16 с большой эффективностью широко применен в самолетных конструкциях для изготовления деталей крепления - болтов, винтов, шпилек и др. Высокая эффективность применения этого сплава объясняется, во-первых,

тем, что прочностные характеристики деталей крепления из этого сплава близки к прочностным характеристикам стальных деталей крепления при значительно меньшей массе деталей из сплава ВТ16. Кроме того, масштабы применения деталей крепления в конструкции самолета весьма значительны. В большом самолете их количество измеряется сотнями тысяч. Производство таких деталей должно осуществляться с использованием высокопроизводительной технологии. Отличная технологическая пластичность сплава ВТ 16 в отожженном состоянии обеспечила возможность реализации такой технологии. На высокопроизводительном оборудовании из прутковой заготовки сплава ВТ 16 вхолодную высаживается головка болта или винта, редуцируется стержень и хвостовик, накатывается резьба. Централизованное крупносерийное производство крепежа из сплава ВТ 16 осуществляется на предприятии «Нормаль» (г. Нижний Новгород). На рис. 3 показаны различные типы деталей крепления из сплава ВТ16.

Механические свойства сплава ВТ 16 и объем применения крепежа приведены в табл. 2 и 3.

Таблица 2

Механические свойства сплава ВТ16

Состояние Предел Относительное Относительное Сопротивление Степень

материала прочности удлинение S сужение у срезу хСр, МПа осадки

ов, МПа % 8, %

Отожженное 815-930 >14 >60 630 75

Холодно- 1030-1130 7-9 40-50 670-720 -

деформированное

Таблица 3

Применение деталей крепления из сплава ВТ16 в самолетах АК им. C.B. Ильюшина и ОАО «Туполев»

Марка самолета Тип самолета Количество пассажиров, чел. Масса деталей крепления в 1 самолете, кг

Ил-86 Среднемагистральный 350 1890

Ил-96-300 пассажирскии Дальнемагистральный 300 2130

Ту-204 пассажирскии Среднемагистральный пассажирский 210 940

Рис. 3. Детали крепления из сплава ВТ 16, изготовленные методом холодного де формирования

В лаборатории титановых сплавов ВИАМ разработаны титановые псевдо-Р-сплавы ВТ32 и ВТ35. Из этих сплавов могут быть изготовлены листы, лента, фольга. Отличительной особенностью этих сплавов является то, что они закаливаются при весьма малых скоростях охлаждения с температуры закалки (4-10°С/мин). Благодаря этому упрочняющая термическая обработка деталей из сплавов ВТ32 и ВТ35 может проводиться в вакуумных печах или в печах с инертной атмосферой. При этом не требуется переноса деталей в закалочную среду. После закалки (отжига) в вакуумной печи эти сплавы обладают высокой технологической пластичностью в холодном состоянии, аналогичной технологической пластичности малолегированного сплава ОТ4-1 (табл. 4).

Таблица 4

Механические свойства псевдо-Р-сплавов в отожженном состоянии

Марка Предел Относительное Технологические свойства

сплава прочности удлинение Вытяжка Отбортовка Гибка

ов, МПа 5, % тт -"-выт тт -^-отб гтт

ВТ32 800-900 16-20 1,75-1,9 1,6-1,75 (2,3-2,6)8*

ВТ35 750-850 18-21 1,7-1,85 1,6-1,7 (2,5-3,0)8*

ОТ4-1 600-750 18-22 1,8-1,85 1,6-1,7 (2,0-2,5)8*

*s - толщина листа.

После охлаждения деталей в печи (с выключенными нагревателями) до температур 480-540°С в этой же печи при необходимости может быть осуществлен процесс старения. Листовые детали сложной конфигурации из этих сплавов могу быть изготовлены по следующей технологической схеме: закалка в вакууме ^ листовая штамповка в холодном состоянии ^ старение в вакууме. Такая технологическая схема позволяет избежать остаточных напряжений при закалке, окисления и образования альфирован-ного слоя на поверхности, а также наводороживания при травлении с целью удаления окисленного слоя. При этом достигается предел прочности сплавов ав>1200 МПа (табл. 5). Эти сплавы могут быть использованы для изготовления штампосварных силовых элементов планера, сотовых паяных панелей (ВТ35), анкерных гаек, трубопроводов, в том числе раскатных патрубков и других деталей, длительно работающих при температурах до 350°С (рис. 4).

а)

Рис. 4. Детали из сплава ВТ32, изготовленные методом холодной деформации: а - штампованная нервюра; б - сотовый заполнитель; в - трубная заготовка, полученная методом ротационного выдавливания

Таблица 5

Механические свойства исевдо-Р-сплавов после упрочняющей термической обработки в аргоно-вакуумных печах

Марка сплава Предел прочности ов, МПа Предел текучести о0 2, МПа Относительное удлинение 5, % Длительная прочность с30000°, МПа

ВТ32 ВТ35 1200-1300 1200-1300 1160-1230 1100-1220 5-9 6-9 960 980

Одним из значимых этапов в работе лаборатории явился широкий комплекс исследований, направленных на обеспечение высокого ресурса работы сварных трубопроводов из малолегированных свариваемых титановых сплавов ОТ4-0 и ОТ4-1. Результаты этих исследований обеспечили успешное применение высокотехнологичных сплавов ОТ4-0 и ОТ4-1 для изготовления сварных воздушных трубопроводов противо-обледенительной системы (ПОС) и системы кондиционирования воздуха (СКВ) многих изделий отечественной авиационной техники. По этим трубопроводам под давлением передается в различные зоны самолета воздух с температурой до 350°С. Общая длина весьма разветвленной системы таких трубопроводов в больших самолетах измеряется сотнями метров. На рис. 5 показана система воздушного трубопровода ПОС транспортного самолета, а на рис. 6 - элемент такого трубопровода, изготовленный из сплава ОТ4-0. Существенное влияние на работоспособность воздушных трубопроводов оказывают напряжения, возникающие от линейного термического расширения труб. Известно, что уровень термических напряжений прямо пропорционален коэффициенту линейного расширения и модулю упругости материала. В этом отношении титановые сплавы, коэффициент линейного расширения и модуль упругости которых почти вдвое меньше, чем у сталей, обладают значительными преимуществами перед сталями. Кроме того, по характеристикам удельной статической и усталостной прочности сплавы ОТ4-0 и ОТ4-1 превосходят сталь типа 12Х18Н10Т, применяемую для воздушных трубопроводов. Применение титановых сплавов в воздушных трубопроводах систем ПОС и СКВ обеспечило снижение массы этих конструкций на 40% (по сравнению со сталью).

Рис. 5. Схема сварного воздушного трубопровода из Рис. 6. Элемент воздушного сплава ОТ4-0 противообледенительной системы широко- трубопровода из сплава ОТ4-0 фюзеляжного транспортного самолета

Таким образом, приведенные примеры использования титановых сплавов, в авиационных конструкциях разработанных в лаборатории, свидетельствуют о высокой эффективности их применения в современных самолетах, а также о перспективности их применения в новых изделиях авиационной техники.