Применение сплавов на основе титана в изделиях разработки ОАО «Авиадвигатель»

8. Петухов А.Н. Конструктивный облик лопатки вентилятора повышенной эксплуатационной живучести для современного конкурентоспособного ТРДД //Вопросы авиационной науки и техники. Сер.: Авиационное двигателестроение.- М.: ЦИАМ, 2006, Вып. 3 (1327), с. 6-16.

9. Петухов А.Н., Вахромеев A.M. Исследование выносливости титанового сплава ВТ3-1 при двухосном напряженном состоянии //В сб.: Прочность материалов и элементов конструкций при сложном напряженном состоянии.- Киев: Наукова думка, 1986, с. 61-64.

10. Быков Ю.Г., Петухов А.Н., Черкасова С.А. Циклическая трещиностойкость титановых сплавов ВТ3-1 и ВТ25 //ФХММ, 1990, №3, с. 49-53.

11. Петухов А.Н. Сопротивление усталости деталей ГТД.- М.: Машиностроение, 1993, 240 с.

12. Петухов А.Н. Некоторые проблемы конструкционной прочности, связанные с применением титановых сплавов в ГТД //Титан, 1998, №1 (10), с. 46-49.

A.A. Иноземцев*, И.Г. Башкатов*, A.C. Коряковцев*

ПРИМЕНЕНИЕ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА В ИЗДЕЛИЯХ РАЗРАБОТКИ ОАО «АВИАДВИГАТЕЛЬ»

Известные преимущества титановых сплавов перед сталью, в частности по весовым и коррозионностойким характеристикам, привели к их широкому использованию в авиационном двигателестроении. На предприятии ОАО «Авиадвигатель» применение титановых сплавов в конструкции проектируемых двигателей началось в 1964 г. с турбореактивного двухконтурного двигателя Д-30, вот уже более 35 лет находящегося в серийном производстве и эксплуатации.

Возможность снижения массы в 1,7 раза при замене стальных деталей на титановые, с сохранением показателей прочности и долговечности, а также изготовление деталей из прутков, сварных листовых заготовок, штамповок и отливок позволили деталям из титановых сплавов прочно утвердиться в составе узлов так называемой холодной части газотурбинного двигателя.

Во всех следующих за Д-30 двигателях, разработанных в ОАО «Авиадвигатель» (Д-30 второй серии, Д-30 третьей серии, Д-30КУ, Д-30КП, Д-30Ф6 и ПС-90А), титановые сплавы находили все более широкое применение. Так, если на двигателе Д-30Ф6 титановые детали составляли 26,9% от общего количества деталей, то на ПС-90А объем применения титана 40,4% (см. рисунок). Наглядно объем использования титановых сплавов в конструкции двигателя ПС-90А показан в таблице, - видно, что из этих сплавов изготовлены детали самых разных узлов двигателя, но основная доля приходится на компрессоры низкого и высокого давления. При этом используют как деформируемые сплавы средней прочности, высокой прочности и жаропрочные, так и литейные. Благодаря более высокой удельной жаропрочности титановых сплавов по сравнению со сталями разработчикам удалось снизить массу компрессоров на 30-35%.

* ОАО «Авиадвигатель».

Жаропрочные Жаропрочные Жаропрочные Коррознонно- Низко- Титановые Магниевые Алюминиевые Прочие

сплавы на сплавы на стали стойкие стали легированные, сплавы сплавы сплавы

никелевой железо- конструкцион-

основе никелевой ные и др. стали основе

Применение материалов в изделиях ПС-90А

Для производства таких ответственных и нагруженных деталей, как диски, рабочие и направляющие лопатки, промежуточные кольца компрессора, применяли деформируемые двухфазные (а+Р)-сплавы: ВТ3-1, ВТ8. Корпусные и другие детали на названных двигателях изготовлены из низколегированного сплава с повышенной пластичностью ОТ4-1, псевдо-а-сплавов средней прочности ОТ4, ВТ20, (а+Р)-сплава ВТ6, обладающих удовлетворительной технологической пластичностью. Для фасонного литья с целью повышения КИМ и снижения трудоемкости использовали а-сплав ВТ5Л. Более подробная информация об использовании титановых сплавов на двигателе ПС-90А представлена в таблице.

Достаточные прочность и надежность большого количества деталей, полученных из титановых сплавов, подтверждены многолетней эксплуатацией многотысячного парка двигателей семейства Д-30 на самолетах гражданской (Ту-134, Ту-134А, Ил-62М, Ил-76, Ту-154М) и военной авиации (МиГ-31).

Надежность, ресурс, качество и снижение трудоемкости деталей из титановых сплавов обеспечивались разработкой новых и совершенствованием традиционных технологий производства, направленных на исключение или существенное уменьшение влияния известных недостатков титановых сплавов. Обладая высокой коррозионной стойкостью во всеклиматических условиях, эти сплавы характеризуются в то же время низкими антифрикционными свойствами и высокой химической активностью. При трении они склонны к схватыванию и задиру. Для повышения износостойкости и исключения фреттинг-коррозии такие соединения, как замки лопаток компрессоров, покрываются серебром, что позволяет обеспечить надежную работу самой массовой детали двигателей.

Долговечность ряда ответственных деталей была повышена благодаря применению специальных технологических операций. С помощью методов упрочнения - поверхностно-пластического деформирования и термомеханической обработки - удалось улучшить сопротивление многоцикловой усталости лопаток из сплавов ВТ3-1 и ВТ8М на 15-30%.

В ОАО «Авиадвигатель» значительная работа по освоению и совершенствованию техпроцессов изготовления литых титановых деталей была выполнена не только в опытном, но и в серийном производстве, где только для двигателя Д-30Ф6 освоено 165 наименований литых деталей. В номенклатуре литых титановых деталей много слож-нофасонных тонкостенных отливок с толщиной стенок 2,5-4 мм. Основной задачей при получении отливок заданной геометрии была стабилизация усадки форм, которая решена с помощью технологии на основе графитовых порошков со связующей феноль-ной смолой, катализатором-контактом, при двухступенчатой прокалке форм и вакуум-но-дуговой плавке с центробежной заливкой отливок. Для особо сложных крупногабаритных и тонкостенных отливок разработана технология получения керамических

форм с последующей пропиткой формы пироуглеродом из газовой фазы. Еще один пример из серийного производства - для более полной утилизации титанового возврата создана и внедрена установка электронно-лучевого переплава титановых литников с последующим использованием их в качестве слитков свежего сплава.

Титановые сплавы, используемые в конструкции двигателя ПС-90А

Сплав

Полуфабрикат

Требования к полуфабрикатам по ТУ

Назначение сплава

Рабочие температуры, °С

ВТ6

ВТ3-1

Штамповка по ТУ1-807-312 Штамповка по ОСТ1.90002 Кольца сварные по ОСТ1.90100 Кольца цельнокатаные по ОСТ1.92039 Прутки по ОСТ1.90173

Прутки по ОСТ1.90173 Прутки по ОСТ1.90266

960-100 980-1180 930-1080

>883 900-1050

900-1050 980-1225

Диски 1-У! ступеней КВД

Рабочие лопатки вентилятора

Кольца, фланцы, обечайки, корпуса и

др.

Детали арматуры, переходники, фланцы, кольца, корпуса и др.

Детали крепежа

До 350 90

До 350 350-400

До 350

ВТ5Л

Литые электроды по ОСТ1.90031 Отливки по ОСТ1.90060

686-980 686-980

Литые детали различной сложности

До 400

Псевдо-а-сплав ВТ20

Цельнокатаные кольца по 0СТ1.92039 Сварные кольца по 0СТ1.90105

Листы по 0СТ1.90218 Прутки по 0СТ1.90173, 0СТ1.90107

>932 930-1180

930-1180 930-1180

Фланцы, смеситель, сопло

Корпус КВД, кольца НА, кольца рабочие средних ступеней КВД, фланцы Нагруженные листовые детали Фланцы, кольца

До 500

Сплав с преобладанием а-раствора с небольшим количеством Р-фазы ВТ4

Цельнокатаные кольца по 0СТ1.92039

Сварные кольца по 0СТ1.90102

>675

686-883

Листы по 0СТ1.90218

860-883

Кольца ВНА внутренние, опора шарикоподшипника, фланцы, кольца Кольца ВНА наружные, кольца НА, корпуса НА, кольца рабочие 1-Ш ступени КВД, фланцы реверсивного устройства Штампуемые сварные детали

До 350

а-сплав

Кроме литых титановых деталей, в конструкции двигателей, разработанных ОАО «Авиадвигатель», широко используют детали, полученные из кованых заготовок, сварные конструкции. Так, на двигателе ПС-90А около 40 сварных узлов с соединениями выполнены электронно-лучевой сваркой. На установках ЭЛУ-5, ЭЛУ-9, ЭЛУ-10 и ЭЛУ-25 свариваются соединения из сплавов ОТ4, ОТ4-1, ВТ5Л, ВТ6, ВТ8, ВТ20 с толщинами стыков от 1,25 до 20 мм. Свариваемые детали - корпуса, кольца, фланцы, штоки, направляющие и др.

Соответствующее оборудование и технология сварки обеспечивают прочность сварного соединения не менее 80% от прочности соединяемых материалов.

Для изготовления рабочих лопаток вентилятора, лопаток ВНА, НА и СА применяют заготовки, полученные методом объемной штамповки или штамповки по методу ТМО. Спрямляющую лопатку вентилятора изготовляют из листа сплава ОТ4 с последующей трехкратной горячей вальцовкой и термофиксацией. Предприятие ОАО «Авиадвигатель» является одним из потребителей штампованных заготовок для дисков (см. таблицу), получаемых ВСМПО (Верхнесалдинским металлургическим производственным объединением), и кольцевых заготовок, изготовляемых КМЗ (Кулебакским металлургическим заводом).

Более широкое внедрение титановых сплавов в разработки конструкторского бюро предприятия сдерживается по нескольким причинам. Сплавы на основе титана имеют недостаточную износостойкость и эрозионную стойкость. Ограничивает их применение невозможность получения деталей со стенкой до 0,8 мм при габаритах около 300 мм методом литья, отсутствие технических решений по термообработке сварных конструкций типа барабан ротора КВД из сплава ВТ8 и др. Решение этих проблем обеспечило бы значительное снижение массы изделий и повышение их ресурса. По некоторым из этих вопросов ведутся работы силами специалистов ОАО «Авиадвигатель».

Создание следующих поколений двигателей требует дальнейшего совершенствования имеющихся в разработке новых титановых сплавов и технологий их получения и использования.

С.С. Ушков*, A.C. Кудрявцев*, Б.Г. Ушаков*

ПРИМЕНЕНИЕ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ В МОРСКОЙ ТЕХНИКЕ И ТРАНСПОРТНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ДАЛЬНЕЙШЕГО РАЗВИТИЯ

Новые материалы, которые появились к началу XXI века, обладают рядом достоинств в решении технических проблем при создании высоконагруженных конструкций, для которых применение титана и сплавов на его основе занимает одно из ведущих мест.

Освоение титана и его сплавов как конструкционных материалов осуществлялось в несколько этапов.

В нашей стране первый этап начался с момента создания промышленного выпуска титановых полуфабрикатов в 50-е годы прошлого столетия. Весь титан предназначался для авиа- и ракетостроения, а также для создания космических аппаратов.

* ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» (Санкт-Петербург).