Состояние, проблемы и перспективы создания жаропрочных титановых сплавов для деталей компрессора

Таким образом, разработанные защитные и упрочняющие ионно-плазменные покрытия для титановых сплавов обеспечивают повышение в 2-5 раза жаростойкости, многократное повышение эрозионной стойкости (в зависимости от угла атаки пылевоз-душного потока) и защитный эффект в общеклиматических и во всеклиматических условиях. Дальнейшие исследования и разработки ионно-плазменных покрытий на титановых сплавах будут направлены на повышение рабочих температур композиции основа-покрытие выше 600°С, что обеспечит защиту нового титанового сплава ВТ41 и сплавов на интерметаллидной основе. Увеличение доли применения жаропрочных титановых сплавов в конструкции деталей ГТД способствует снижению удельной массы двигателя.

В.Г. Анташев, О.С. Кашапов, Т.В. Павлова, Н.А. Ночовная

СОСТОЯНИЕ, ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ СОЗДАНИЯ ЖАРОПРОЧНЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ КОМПРЕССОРА

Уже практически полвека титановые сплавы занимают прочное положение в конструкциях различных типов газотурбинных авиационных двигателей. К настоящему времени объем их применения составляет до 36% от массы двигателя, при этом основная масса потребления приходится на наиболее ответственные детали компрессора низкого и высокого давления - лопатки и диски.

Основными достоинствами титановых жаропрочных сплавов, подтвержденными многолетней эксплуатацией двигателей, являются высокие удельные характеристики прочности, жаропрочности и коррозионная устойчивость, обеспечившие высокую надежность и весовую эффективность двигателей.

На рис. 1 схематически показаны области применения различных титановых сплавов в зависимости от температуры рабочей зоны двигателя, а в табл. 1 - основные показатели их свойств.

ВТ5-1, ВТ-20 ВТ-22И, ВТ6 ВТ-3-1

ВТ6, ВТ8-1 ВТ8М-1, ВТ9 ВТ3-1

ВТ25У, ВТ8, ВТ9

ВТ18У, ВТ41

Рис. 1. Области применения жаропрочных титановых сплавов в конструкции компрессора ГТД

Таблица 1

Механические свойства различных титановых сплавов

Сплав Предел прочности ств, МПа Длительная прочность Область применения

температура испытания, °С с100, МПа

ВТ6 950 300 646 Детали и узлы вентилятора и

кнд

ВТ20 950 450 630 Листовые и корпусные

детали КНД и КВД

ВТ3-1 960 450 660 Детали и узлы КНД и КВД

ВТ8 960 500 441 Лопатки и диски КВД

ВТ9 1030 550 392 То же

ВТ18У 910 600 290 -«-

Длительная эксплуатация деталей компрессора выявила как достоинства традиционных жаропрочных титановых сплавов, так и их недостатки. Из числа недостатков следует отметить два главных, которые особенно ярко проявились при изменении экономических условий производства, - низкий ресурс работы деталей и относительно низкий уровень технологических свойств существующих жаропрочных титановых сплавов, что существенно усложняет и удорожает производство и эксплуатацию деталей.

Ресурс деталей из-за недостаточной термической стабильности традиционных титановых сплавов не превышает 15000 ч, в то время как для изделий гражданской авиации по сегодняшним нормам требуется более 30000 ч. При этом технология производства деталей столь дорога, что использование титановых полуфабрикатов ставит на грань экономической целесообразности производство авиационных двигателей.

С учетом этих обстоятельств была разработана новая серия титановых жаропрочных сплавов, обладающих более высокой термической стабильностью, заметно лучшими технологическими свойствами. При этом оказалось возможным повысить и их эксплуатационные свойства.

Новые рекомендуемые титановые сплавы для различных зон компрессора ГТД представлены на рис. 1, а их основные свойства - в табл. 2.

Таблица 2

Механические свойства титановых сплавов для компрессора ГТД

Сплав Предел прочности ств, МПа Длительная прочность Область применения

температура испытания, °С С100, МПа

ВТ22И 1100-1200 350 - Детали и узлы вентилятора

и КНД

ВТ8М-1 1000 450 615 Лопатки КВД

ВТ8-1 980 450 665 Диски КВД

ВТ25У 1080 550 450 Лопатки и диски КВД

ВТ41 1030 600 335 То же

ВТИ-4 1100 650 330 -«-

Более подробное сравнение свойств старых и новых жаропрочных титановых сплавов приведено на рис. 2-4.

800

980 980

МЦУ: <

Рис. 2. Сравнение свойств используемых серийно титановых сплавов: ВТ3-1

Рис. 3. Сравнение свойств серийного титанового сплава ВТ8М

Приведенные на рис. 2-4 сравнительные диаграммы отчетливо показывают, что новые жаропрочные титановые сплавы имеют преимущества по целому ряду показателей жаропрочных свойств. Их применение в изделиях авиационной техники тем более целесообразно, что они рассчитаны на длительный ресурс работы.

Особое внимание следует обратить на сплав ВТ41, который создан для замены сплава ВТ18У, поскольку сплав ВТ18У совершенно незаслуженно и бездоказательно получил репутацию ненадежного сплава.

Жаропрочный титановый сплав ВТ18У был разработан к концу 70-х гг. XX в. и широко применяется для изготовления дисков и лопаток КВД, работающих вплоть до температуры 600°С. Уникальность этого сплава состоит в том, что уже с начала 80-х гг. он успешно применяется в двигателях АЛ-31Ф, находящихся в эксплуатации и по сей день не только в России, но и за рубежом. Несколько позже сплав стал применяться в двигателе ПС-90. Весь этот период зарубежные псевдо-а-сплавы этого класса применяются лишь ограниченно в интервале температур 450-500°С.

Свойства Квоты превосходства, %, сплава ВТ41 в сравнении со сплавом ВТ18У

600 Л)ГГТ с в , МПа 28,5

с60о°, МПа 15,5

<2/100, МПа МЦУ: отах (при N=1•104 цикл; Я=0; 1=10Гц) гладкие образцы* образцы с надрезом* (К1=3,35; гн=0,25 мм) 30 10,5/15 30/21

' В числителе - при 20°С, в знаменателе - при 550°С.

МЦУ

600

600 '0,2/100

20°С

550°С>. 20°С

550°СУ

он„

Рис. 4. Сравнение свойств серийного титанового сплава ВТ18У ( ) и нового сплава ВТ41 ( ) для штамповок дисков и квоты превосходства нового сплава (при испытании на МЦУ:

^1-104 цикл; Я=0; 1=10 Гц; К=3,35; г н=0,25 мм)

Новый сплав ВТ41, предназначенный для работы при температуре до 600°С, был паспортизован в 2005 г.

Приведенные данные показывают (см. рис. 4), что по всем исследованным прочностным, жаропрочным и усталостным характеристикам новый сплав превосходит находящийся в длительной эксплуатации сплав ВТ18У. Это превосходство значительно и достигает по показателям сопротивления ползучести, малоцикловой усталости и пределу прочности 30%. Сплав обстоятельно обследован при различных режимах деформации и термообработки применительно к изготовлению штамповок дисков, и это дает основания для его рекомендации к внедрению в промышленность. Химический состав сплава и параметры его структуры при получении штамповок диска деформацией в Р-области приведены в табл. 3 и на рис. 5.

Таблица 3

Химический состав сплавов ВТ18У и ВТ41

Сплав Содержание легирующих элементов, %

Т1 А1 Яп Ъх № Мо 81 Бе с

ВТ 18У Основа 6,2-7,3 2,0-3,0 3,5-4,5 0,5-1,5 0,4-1,0 - 0,1-0,25 - -

ВТ41 5,8-6,6 2,5-4,5 2,0-4,0 0,8-2,5 0,8-1,5 0,35-0,8 0,25-0,45 0,06-0,13 0,05-0,1

а)

ГТ 7 Т1

б)

>7 г,- ¿.V* V]

Параметры структуры сплава после Р-деформации

р;имер мшсрозерна, мм размер, мкм, структурных микросоставляющих

пластины а-фазы силициды Т15813 оторочка а-фазы на границах зерна

0,04-0,08 0,6-2,5 0,1-0,6 1,0

Рис. 5. Опытно-промышленная штамповка диска (деформация в Р-области) из сплава ВТ41 (а), структура полотна диска (б - ><1000; 3-4% Р-фазы) и параметры структуры

Эксплуатационные свойства нового сплава не только превышают таковые для сплава ВТ18У, но и практически по всем показателям выше, чем свойства лучшего зарубежного жаропрочного титанового сплава аналогичного класса 1М1834. Об этом свидетельствуют данные, приведенные в табл. 4.

Таблица 4

Сравнительные свойства отечественного и лучшего зарубежного _жаропрочных титановых сплавов __

Сплав Полуфабрикат Ов 00,2 600 а в _600° а100 — 550° а500 — 600° — 0,2/100 (МЦУ /МнЦУ): —и, МПа, при К=2-104/К=2-107 цикл

М Па

ВТ41 Штамповка (Р-деформация) 1030 945 720 335 390 155 930/410

1М1834(Англия) 1000 910 640 340 - 140 915/-

*Для МЦУ: Я=0; £=10 Гц; для МнЦУ: Я=-1.

С конца 90-х гг. XX в. в титановой лаборатории ВИАМ велась работа по созданию интерметаллидных сплавов нового поколения, имеющих более высокую температуру эксплуатации и жаропрочность, но обладающих технологической пластичностью.

В 2002 г. был паспортизован сплав ВТИ-4, созданный на базе алюминида титана с ор-торомбической структурой. Из этого сплава в опытном порядке были изготовлены листовые полуфабрикаты, что свидетельствует о возможности его пластической деформации с целью получения различных деформированных полуфабрикатов. Сплав ВТИ-4 работоспособен до температуры 650°С, и его длительная прочность при этой температуре (о1боо ) составляет 360 МПа. Физические и механические свойства сплава ВТИ-4 приведены в табл. 5.

Таблица 5

Механические свойства интерметаллидного сплава ВТИ-4

Температура испытания, °С ё, кг/м3 Е, ГПа ов, МПа 5 МПам12

%

20 600 5100 125 1100 1000 6 12 7 35

Таким образом, в настоящее время созданы новые жаропрочные титановые сплавы практически для всех деталей и ступеней компрессора ГТД, которые по своим свойствам пригодны для двигателей шестого поколения.

Вместе с тем вопросы трудоемкости изготовления полуфабрикатов, энергоемкости процессов выплавки слитков и их деформации, а следовательно, и цен титановых деталей остаются в значительной степени нерешенными. Запредельная цена полуфабрикатов требует очень быстрых и радикальных решений в области совершенствования технологии переработки титана. Необходимо резко сократить количество переходов при деформации, использовать для выплавки слитков индукционные печи с секционным кристаллизатором, создать и внедрить изотермические технологии деформации. Все это должно быть сделано не в ущерб качеству полуфабрикатов и в возможно более короткие сроки. Рынок диктует свои условия и свои сроки.