Перспективы разработки новых титановых сплавов

УДК 669.295

В.Г. Анташев, Н.А. Ночовная, А.А. Ширяев, А.Ю. Изотова

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗРАБОТКИ НОВЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Освещены современные тенденции применения сплавов на основе титана, а также новые требования к их физико-механическим свойствам. Описаны преимущества современных титановых сплавов на основе ß-фазы в качестве высокопрочных конструкционных материалов, указаны пути дальнейшего повышения их механических и технологических свойств. Представлены результаты исследований влияния химического состава (степень легирования, соотношение количества изоморфных и эвтектоидных ß-стабилизаторов и др.) на уровень механических свойств экспериментальных сплавов на основе ß-фазы. Сделаны выводы о перспективах разработки новых ß-титановых сплавов на основе оптимального легирования, приведены области их применения.

E-mail: astrowolf@mail.ru

Ключевые слова: титановые сплавы, ß-титановые сплавы, области применения, механические свойства, технологичность.

Как известно, практически вся титановая индустрия создавалась для получения полуфабрикатов из высокоэффективных материалов применительно к требованиям авиакосмической техники, поскольку военная и коммерческая авиация потребляли более 75 % всей дорогостоящей титановой продукции. При этом вопросы стоимости исходных компонентов, их дефицитности, дороговизны технологии переработки материалов и ее энергоемкости оставались на втором плане. Существенную роль играли темпы создания необходимых для авиации сплавов, поэтому были использованы наиболее быстрые и простые решения.

Однако в последнее время происходят существенные перемены в стратегии создания и применения титановых материалов. Эти изменения вызваны четырьмя обстоятельствами. Во-первых, в начале XXI века произошло обрушение авиапромышленности, что привело к резкому снижению потребления титана. Во-вторых, возможности дальнейшего повышения эксплуатационных свойств титановой продукции применительно к авиакосмическим изделиям в значительной мере исчерпаны и в новых изделиях существенного роста потребления титана в традиционных областях его использования не наблюдается. В-третьих, применение стекло- и углепластиков для изготовления деталей планера из-за значительной коррозии алюминиевых сплавов в контакте с ними вызвало необходимость использования

титановых сплавов взамен алюминия. В-четвертых, бурное развитие экономики Юго-Восточной Азии и Китая, слабо связанной с авиационной индустрией, сопровождается существенным ростом потребления титановой продукции в судостроении, энергетике, химическом машиностроении, при опреснении морской воды и т.д. Различия в сферах применения титановых материалов отражают рис. 1 и 2, где показана структура потребления титана экономиками США и Китая.

При этом новые отрасли потребления и существенное увеличение ресурса гражданской авиатехники требуют новых материалов и руководствуются новыми критериями. На первое место помимо уровня свойств выходят требования по экономичности производства, снижению его энергоемкости, сокращению применения дефицитных материалов и т.п. Однако в связи с тем, что разработка титановых сплавов для решения новых задач - достаточно дорогостоящий и длительный процесс, создание специальных сплавов для гражданских отраслей производства и принципиально новых материалов для аэрокосмической отрасли существенно отстает от возникающих потребностей.

Очевидно, что именно по этим причинам в последнее десятилетие наблюдается значительное увеличение количества работ, имеющих целью получение титановых сплавов с новым комплексом свойств, в том числе и за счет широкого использования легирующих элементов эвтектоидной группы. Это относится к попыткам создания экономически эффективных Р-сплавов, эвтектоидных и заэвтектоидных сплавов со структурой естественных композитов, сплавов на базе интерметал-личесих соединений, сплавов типа металлических стекол и т.д.

Рис. 1. Распределение потребления титановых материалов по отраслям промышленности США в 2009 г.

Рис. 2. Распределение потребления титановых материалов по отраслям промышленности Китая в 2009 г.

Отметим, что, несмотря на большое количество сплавов, разработанных для использования в различных отраслях промышленности, их применение в гражданской авиации невозможно ввиду несоответствия предъявляемых к материалам требований по физико-механическим и другим свойствам. К таким сплавам можно отнести большинство сплавов медицинского назначения, наиболее важными характеристиками которых являются низкий модуль упругости, умеренно высокие прочностные и трибологические характеристики, высокая технологичность, биосовместимость, отсутствие токсичных легирующих элементов. Именно поэтому задача разработки специальных сплавов авиационного назначения остается актуальной.

В связи с тем, что происходит довольно быстрое увеличение доли титановых материалов в конструкции планера [1], в настоящее время существенно меняется как основная номенклатура титановых полуфабрикатов, так и преимущественный способ ее производства. Учитывая соотношение массы планера и массы двигателя, можно считать, что объемы потребления титановых полуфабрикатов будут возрастать очень быстрыми темпами. Об этом говорит тот факт, что в 1989 г., когда в конструкции двигателей использовалось около 30 % (по массе) титановых деталей, а в конструкции планера -только 4...5 %, потребление титана промышленностью США составляло 18 073 т в двигателях и 20 256 т в конструкциях планеров. Поскольку в настоящее время предполагается использовать в планере гражданского самолета 15.20 % титановых деталей, а в планере военных изделий - еще больше, то с большой долей вероятности следует считать, что это и определит практически весь прирост объемов потребления титановых полуфабрикатов в виде листовых штамповок и плит. При этом очевидно, что в случае применения традиционных титановых сплавов произойдет резкое увеличение стоимости изделий, а это поставит их на грань невозможности окупать затраты на производство, как это было в случае эксплуатации российского Ту-144 и франко-английского «Конкорда». Именно по этой причине ведется интенсивная разработка новых пластичных сплавов на основе Р-модификации титана, обладающих высокой способностью к деформации в холодном состоянии и позволяющих получать высокопрочные листы и плиты, используемые при изготовлении деталей обшивки и силового набора планера новейших летательных аппаратов [2]. Эти сплавы должны обеспечить:

• существенное снижение затрат на производство тонколистовой продукции за счет высокого уровня технологической пластичности в закаленном состоянии;

• возможность существенного повышения их прочностных свойств с помощью низкотемпературной термообработки, что, в

свою очередь, позволит получать требуемую геометрию деталей, имеющих сложные криволинейные поверхности.

В настоящее время создано большое количество в- и псевдо-в-сплавов. Наиболее известные сплавы и их некоторые механические свойства в закаленном и состаренном состоянии представлены в таблице.

Основные отечественные и зарубежные* в- и псевдо-в-титановые сплавы, применяемые в промышленности, и их свойства

Марка сплава (химический состав, % масс.) Kß Гп.п, оС Плотность, кг/м3 ов, МПа S, %

ВТ35 850 1350 18 8

(Ti-3 Al- 15V-3Sn-3 Cr-1,5Zr-1,5Мо) 1,58 760 4774

Ti15333* 1,57 760 4800 800 18

(Ti-3 Al- 15V-3Sn-3 Cr) 1300 10

Timet LSB* 1,58 799...815 4790 1068 24,5

(Ti-4,5Fe-6,8Mo-1,5Al) 1475 13,5

Beta 21S* 1,58 793...810 4940 880 18

(Ti- 15Mo-2,6Nb-3 Al-0,8Si) 1420 7

ВТ19 970 1420 18 5

(Ti-5,5Mo-3, 5 V-5,5Cr-3Al-Zr) 1,72 - 4780

8-8-2-3* 1,77 800 20

(Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al) 1450 5

ВТ32 1,80 780 4830 830 20

(Ti-8Mo-8V- 1,5Fe-1,5Cr-3Al) 1350 6

10-2-3* 1,30 812 4670 862 34

(Ti- 10V-2Fe-3Al) 1431 3

ВТ15 2,45 710 4890 850 12

(Ti-10,5Cr-7Mo-3Al) 1420 5

ТС6 2,76 720 4890 850 20

(Ti-11Cr-5Mo-6V-3Al-Zr) 1350 4

- >1,52 _ _

(Ti-2,5Fe-6,8Mo-2,5Al-2V) 1250.1520 7,3.16,4

5-5-5-3 1,40 _ _

(Ti-0,5Fe-5Mo-5Al-5V-3Cr) 1200 6

* Сплавы производства США.

Примечание. В числителе и знаменателе даны значения ов и 8 для закаленного и термоупрочненного состояния соответственно.

Из приведенных данных следует, что созданные в различных странах в- и псевдо-в-сплавы в закаленном состоянии имеют относи-

тельно низкую прочность и высокую пластичность, что существенно облегчает их деформацию, а в состаренном состоянии прочность сплавов повышается на 550.650 МПа при сохранении вполне приемлемой пластичности, необходимой для безопасной эксплуатации изделий. Наилучшим комплексом свойств обладают сплавы Ti 15333, Beta 21S (США) и ВТ35, ВТ32 (Россия).

Следует иметь в виду, что последние два сплава характеризуются

также высокой предельной вязкостью разрушения (К1С = 125 и 1/2

110 МПам соответственно), что делает их перспективными для изготовления деталей высокоресурсных изделий, а относительно низкая температура старения (450.550 °С) позволяет избежать существенных поводок готовых деталей, получаемых листовой штамповкой.

Особое место среди перечисленных выше занимает сплав Timet LSB [3]. Он сохраняет практически все преимущества псевдо-Р-сплавов, но является результатом первой попытки использования дешевых компонентов для легирования. В качестве основного легирующего комплекса в данном случае применяется ферромолибден, что существенно снижает стоимость сплава, поэтому по соотношению цена - качество он вполне может конкурировать с традиционными титановыми сплавами на основе а- и а+Р-фаз. Именно благодаря этому сплав находит применение в автомобильной промышленности. Вместе с тем прочность сплава в закаленном состоянии чрезмерно велика, что существенно осложняет его переработку в горячем состоянии и не позволяет использовать в полной мере процесс холодной листовой штамповки. Кроме того, в случае применения сплава для изделий, длительно работающих при повышенных температурах, необходимо убедиться в том, что его свойства стабильны во времени.

Сплав Timet LSB послужил примером для подражания. В частности, на ВСМПО был разработан сплав Ti-2,5Fe-2V-2,5Al-6,8Mo. Данный сплав обладает несколько лучшими пластическими характеристиками и, вероятно, более стабилен во времени, но применение при получении слитков специальных дорогостоящих лигатур, содержащих молибден и ванадий, по соотношению цена - качество ставит его в один ряд с другими псевдо-Р-сплавами.

Для выяснения возможности создания оптимально легированных псевдо-Р-сплавов авторами была предпринята попытка определить влияние соотношения концентраций изоморфных и эвтектоидных Р-стабилизаторов и их суммарного количества (в виде молибденового эквивалента) на уровень механических свойств сплавов. В качестве модельной была использована система Ti - Al - Mo - V - Fe - Cr.

Чтобы установить, насколько представительными являются выбранные сплавы для характеристики всей группы Р- и псевдо-Р-

сплавов, были построены диаграммы в координатах Мё-Бо. Здесь Во является параметром, показывающим степень перекрытия электронов между атомами и, следовательно, служит мерой ковалентной связи в кристаллической решетке, а Мё есть среднее значение между е- и ¿-уровнями энергии электронов на ^-орбите, которое определяет такие важные классические параметры, как электроотрицательность элемента и его металлический радиус [4]. На рис. 3, а представлена диаграмма для существующих Р-сплавов с обозначением их преимущественного источника пластичности, а на рис. 3, б - аналогичная диаграмма для выбранных при исследовании сплавов.

Сравнение двух диаграмм показывает, что выбранная система сплавов вполне информативна и представительна для анализа и сравнения Р- и псевдо-Р-сплавов между собой, а поскольку, несмотря на значительное различие в степени легирования того или иного сплава, его положение на диаграмме отличается незначительно, то и не приходится ожидать резкого изменения механических свойств в зависимости от состава. Вместе с тем механизм деформации может сильно различаться, что серьезно отразится на технологической пластичности.

Результаты исследований влияния химического состава на уровень механических свойств экспериментальных сплавов свидетельствуют о том, что при коэффициенте Р-стабилизации (Кр > 1,7) в исследованных пределах легирования соотношение концентраций изоморфных и эвтектоидных Р-стабилизаторов практически не влияет на способность закаленного сплава к деформации. Технологическая проба на осадку крешера всегда превышает 70 %. Вместе с тем это соотношение играет существенную роль при старении сплавов. Так, в случае низкотемпературного старения (500 °С) сплавы, преимущественно легированные Р-изоморфными компонентами, всегда имеют более высокие показатели пластичности и более низкие значения предела прочности, чем сплавы, легированные преимущественно Р-эвтектоидными компонентами. Очевидно, во втором случае свойства сплавов определяются наличием не только ю-фазы, но и выделений частиц интерметаллидов. Именно поэтому для повышения их пластических характеристик необходимо старение при более высокой температуре, сопровождающееся распадом ю-фазы и коагуляцией выделений интерметаллидов, но при этом заметно снижаются прочностные характеристики сплавов.

Несколько иначе ведут себя сплавы с Кр < 1,6. В этом случае важны не только соотношение молибденовых эквивалентов изоморфных и эвтектоидных легирующих элементов (Миз / Мэвт), но и конкретный химический элемент. Во-первых, высокая пластичность достигается только при соотношении Миз / Мэвт > 1:1. Во-вторых, осадка крешера

превышает 70 % либо в случае использования в качестве Р-изоморф-ного компонента одного молибдена (при Миз / Мэвт = 2,2), либо в случае использования в качестве Р-эвтектоидного компонента одного железа (при Миз / Мэвт = 2:1). Во всех остальных случаях сплав не может быть применен для холодной листовой штамповки.

Рис. 3. Диаграммы Md-Bo для ß- и псевдо-Р-сплавов

Таким образом, литературные данные и собственные исследования показывают, что созданные в настоящее время псевдо-Р-сплавы имеют благоприятный комплекс прочностных и пластических свойств, превосходящий как по абсолютным значениям, так и по удельным показателям свойства а- и а+Р-сплавов при комнатной температуре. Многие из них могут быть использованы для производства листовых штамповок без нагрева заготовок с последующим упрочнением готового продукта с помощью низкотемпературного старения. Следует иметь в виду, что рассматриваемые конструкционные сплавы превосходят а- и а+Р-сплавы по технологическим характеристикам, таким как штам-пуемость, коэффициент вытяжки и т.д.

В целом конструкционные Р- и псевдо-Р-сплавы по соотношению цена - качество оказываются привлекательными для листовой штамповки, получения слоистых композиционных материалов, а также высокопрочной титановой фольги, которую можно использовать при изготовлении сотовых панелей, причем объемы производства полуфабрикатов могут быть довольно большими.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Технология производства титановых самолетных конструкций / А.Г. Братухин, Б.А. Колачев, В.В. Садков и др. М.: Машиностроение, 1995.

2. Моисеев В. Н. Бета-титановые сплавы и перспективы их развития // МиТОМ. 1998. № 12. С. 11.

3. Allen P.G., Bania P.J., Hutt A.J., Combres Y. Timetal LCB: A low cost beta alloy for automotive and other industrial applications» / Ti-1995 Science and Technology // Proc. of the 8th World Conf. on Titanium. London: The Institute of Materials, 1996. Vol. 1. P. 1680.

4. Morinaga M., Yukawa N., Maya T., Sone K., Adachi H. Theoretical design of titanium alloys / Ti-1988 Science and Technology // Proc. of the 6th World Conf. on Titanium. Cannes: Les Editions de Physique, 1989. Vol. 2. P. 1601.

Статья поступила в редакцию 31.10.2011