Введение

Для многих государств, имеющих авиационную промышленность, основным направлением развития передовой гражданской и военной авиации является разработка новых материалов для современных изделий авиационной техники [1–5]. В статье [6], опубликованной в 2016 г., рассматривались вопросы освоения промышленной технологии изготовления деформируемых полуфабрикатов из титанового сплава ВТ41 в условиях ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» совместно со специалистами НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ. За последнее время достигнуты значительные успехи в этом направлении: приобретен большой опыт по изготовлению прутков и листов различных типоразмеров, освоено изготовление крупногабаритных поковок из сплава ВТ41 с регламентированной мелкозернистой структурой. Отметим, что задача по изготовлению крупногабаритных поковок дисков и рабочих колес (моноколес) компрессора особенно актуальна для модификаций газотурбинных двигателей (ГТД) четвертого поколения и новых двигателей, относящихся к пятому поколению. Так, по оценке немецких специалистов, использование моноколес осевого компрессора позволяет снизить массу ступени не менее чем на 5 % [7].

Переход от классической конструкции ступеней осевого компрессора с разъемным креплением лопаток с диском к моноколесу привел к резкому увеличению массы и сечения поковок (штамповок). Например, в ГТД четвертого поколения, где использовались диски компрессора высокого давления из титанового сплава ВТ18У, масса наиболее крупной штамповки диска не превышала 50 кг. Для нового ГТД пятого поколения аналогичного назначения потребовались заготовки для изготовления осевого моноколеса компрессора массой до 220 кг. К 2017 г. были определены основные параметры технологического процесса и технологические приемы, позволяющие серийно получать крупногабаритные поковки из сплава ВТ41 с регламентированной мелкозернистой структурой [5].

В результате совместной работы ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» и НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ были выявлены следующие особенности технологии:

– необходимо изготовление кованого биллета Æ280 мм с регламентированной структурой из слитков тройного вакуумно-дугового переплава диаметром 740–810 мм с применением специальной оснастки [6];

– применена многопереходная осадка мерной заготовки при температурах двухфазной области с соотношением высоты к диаметру более 2,5 c применением конусных бойков;

– применено охлаждение под вентилятором после высокотемпературной ступени отжига [8].

В настоящее время для удовлетворения потребностей промышленности возникла необходимость изготовления поковок из сплава ВТ41 большей массы и сечения, а также увеличения характеристик пластичности материала для повышения его технологичности на сварочно-сборочных операциях. Для успешного решения указанной задачи предложен скорректированный состав сплава и проведена оценка его технологичности и механических свойств в сравнении с зарубежным сплавом-аналогом Ti-834 (IMI 834) на основе опыта изготовления из него деформируемых полуфабрикатов [9–11].

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Материалы и методы

Несмотря на то что сплав ВТ41 относится к малолегированным псевдо-α-титановым сплавам и содержит ~3 % (по массе) стабильной β-фазы, в его составе содержится четыре элемента, стабилизирующих β-фазу: Mo, Nb, W, Fe (кремнием можно пренебречь из-за крайне низкой его растворимости в твердых растворах при комнатной температуре) [12]. По сравнению со сплавами-аналогами (IMI 829, Ti-834, Ti-1100, ВТ18У) уровень легирования этими элементами у сплава ВТ41 выше более чем в 2 раза (рис. 1).

Рис. 1. Уровень легирования титановых сплавов, выраженный в структурном эквиваленте по содержанию молибдена

Это накладывает определенные ограничения на содержание других основных легирующих элементов (в первую очередь алюминия), так как введение легирующих элементов осуществляется с помощью тройных или двойных лигатур, содержащих значительное количество алюминия. Кроме того, при подготовке шихты для введения вольфрама применяется четверная лигатура Mo–W– Ti–Al, с соотношением содержания молибдена к вольфраму ~2,5. Поэтому существенно варьировать содержание алюминия и перечисленных ранее элементов, стабилизирующих β-фазу, при строгом ограничении уровня легирования по алюминиевому и молибденовому структурным эквивалентам не представляется возможным [13].

Уровень легирования α-фазы в псевдо-α-сплавах определяет физико-механические и технологические свойства сплава, что показано на рис. 2 в виде зависимости температурного интервала горячей деформации при температурах двухфазной области от уровня легирования α-фазы, выраженного в эквиваленте по алюминию [Al]^eq.

Зависимость интервала температур (ΔТ) интенсивной деформации в двухфазной области от содержания алюминия – эмпирическая величина, косвенно учитывающая такие факторы, как температура полного полиморфного превращения (Т_п.п) и количество β-фазы при температурах деформации, а значит, и уровень легирования сплава элементами, стабилизирующими β-фазу.

Рис. 2. Температурный интервал интенсивной горячей деформации сплавов в зависимости от уровня легирования α-твердого раствора

Для определения конкретных критериев корректировки химического состава сплава ВТ41 следует учитывать имеющийся опыт изготовления крупногабаритных поковок, предназначенных для сборки методом сварки плавлением узлов ротора компрессора. На рис. 3 приведены пределы легирования, выраженные в структурном эквиваленте по содержанию алюминия [Al]^eq: по паспорту ФГУП «ВИАМ» на сплав, по действующим техническим условиям (ТУ), а также фактический уровень по результатам контроля 16 опытно-промышленных плавок.

Рис. 3. Пределы легирования сплава ВТ41, выраженные в структурном эквиваленте по содержанию алюминия

С одной стороны, показатель [Al]^eq дает количественное представление о степени легирования α-твердого раствора, а с другой – о степени его возможного дисперсионного упрочнения интерметаллидными фазами Ti₃Al при старении (низкотемпературном отжиге), которое начинает заметно проявляться при [Al]^eq > 8 % [14, 15]. Однако для зарубежного сплава Ti-834 (IMI 834) данный показатель является браковочным признаком – в технической документации в части контроля химического состава указано, что величина [Al]^eq не должна превышать 9 % [16], что необходимо для обеспечения удовлетворительных показателей пластичности материала. Сплав Ti-834 после деформации в двухфазной области проходит термическую обработку, состоящую из закалки в масле с температуры верхней части двухфазной области (~1015 °С – ниже Т_п.п на 30 °С) и старения при температуре 700 °С, т. е. в области интенсивных диффузионных процессов и выделения фазы Ti₃Al [17–19] (первоначально старение проводили при температуре 625 °С [20]). В данном случае закалка обеспечивает фиксацию объемной доли первичной α-фазы на уровне 15–30 % и подавляет диффузионные процессы при превращении β ® α, протекающие при охлаждении на воздухе, что сказывается на химическом составе α-фазы с различной морфологией выделения [21]. Таким образом, после закалки и старения в микроструктуре сплава Ti-834 присутствует более легированная глобулярная α-фаза (первичная α_I) и менее легированная – превращенная α-фаза (вторичная α_II) с пластинчатой морфологией выделения [22].

В сплаве ВТ41 при охлаждении на воздухе после высокотемпературной ступени термической обработки формирование глобулярно-пластинчатой микроструктуры происходит в процессе диффузионного превращения, а не преимущественно мартенситного, как в случае закалки сплава Ti-834. Следствием этого является укрупнение составляющих микроструктуры, но различие в химическом составе α-фазы с различной морфологией сохраняется.

В результате освоения производства поковок рабочих колес компрессора из сплава ВТ41 фактический уровень легирования сплава оказался существенно сужен, а его границы сдвинуты в сторону максимального содержания легирующих элементов. Это необходимо для того, чтобы обеспечить стабильность прочностных и жаропрочных характеристик с учетом разупрочнения материала в результате полного объемного послесварочного отжига сварных узлов. В табл. 1 приведены размеры опытно-промышленных поковок, изготовленных на ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА», на материале которых при освоении производства исследовали механические свойства и структуру.

Таблица 1

Поковки из сплава ВТ41 для изготовления деталей

ротора компрессора высокого давления (КВД)

Окончательно готовые поковки из сплава ВТ41, обточенные под операцию ультразвукового контроля, имеют меньшие габариты и массу (табл. 1, рис. 4, а).

В условиях ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» из сплава ВТ41 скорректированного состава по серийной технологии также изготовлены катаные прутки Ø35 мм и поковки в виде калиброванных «шайб» сечением под термическую обработку ~80 мм, масса каждой поковки составляет ~77 кг. Режим и условия термической обработки поковок скорректированного состава не изменяли.

При изготовлении электронно-лучевой сваркой сварных соединений из сплава ВТ41 скорректированного состава использовали штампованные заготовки, полученные из исходных катаных прутков (термическая обработка заготовок проведена по режиму двойного отжига, аналогичного режиму для поковок, с охлаждением на воздухе). Внешний вид сварных соединений представлен на рис. 4, б.

Рис. 4. Обточенные поковки рабочих колес (а) массой ~88 кг в состоянии поставки
на машиностроительное предприятие и внешний вид сварных соединений из сплава ВТ41 (б)

Исследование микроструктуры материала проводили методами оптической металлографии, просвечивающей (Tecnai G2 F20 S-TWIN) и растровой (JCMA-733) электронной микроскопии. Исследование химического состава отдельных фаз осуществляли методом количественного рентгеноспектрального микроанализа на оборудовании JCMA-733, оснащенном энергодисперсионным микроанализатором Inca Energy.

Механические свойства определяли по методикам и на оборудовании, которые соответствуют требованиям ГОСТ 1497–84, ГОСТ 9651–84, ГОСТ 9454–78, ГОСТ 25.506–85.

Результаты и обсуждение

Проведено исследование химического состава фаз материала поковки рабочего колеса из сплава ВТ41, полученной деформацией и двойным отжигом при температурах двухфазной области. Результаты анализа, выраженные в структурном эквиваленте по содержанию алюминия в составляющих глобулярно-пластинчатой микроструктуры, приведены в табл. 2. На рис. 5 представлена микроструктура материала двух поковок одной плавки с различной морфологией α-фазы, с обозначением контрольных точек и областей исследования.

Видно, что в первичной α-фазе (α_I) содержится максимальное количество алюминия, что в основном определяет уровень ее легирования. В α-оторочке и во вторичной α-фазе (α_II) уровень легирования определяется в основном нейтральными упрочнителями (оловом и цирконием). Содержание алюминия в пластинках вторичной (превращенной) α-фазы (α_II) может заметно снижаться, что показывают результаты локального химического анализа отдельных крупных частиц α_II и смеси α_II + β (при анализе результатов в данном случае следует учитывать отсутствие алюминия в β-прослойках; олово и цирконий по различным научно-техническим литературным данным распределяются в твердых растворах равномерно [23, 24]). На образование отдельных частиц силицидов титана и циркония (комплексных силицидов) может оказывать влияние локальная неоднородность по содержанию циркония.

Таблица 2

Химический состав сплава ВТ41 и фаз по содержанию

алюминия, олова, циркония и β-стабилизаторов

Рис. 5. Микроструктура сплава ВТ41 после деформации и двойного отжига, локальные точки и зоны определения химического состава фаз: а – типичная глобулярно-пластинчатая микроструктура со сфероидизированной первичной α-фазой; б – микроструктура материала с грубыми (несфероидизированными) выделениями первичной α-фазы

Ранее уже рассматривалось влияние циркония на дисперсионное упрочнение силицидами титана. Достоверно установлено, что с повышением содержания циркония количество силицидов титана в структуре титановых сплавов возрастает [10, 11, 22], а температура сольвус силицидов снижается. В сплаве ВТ41 ориентировочная температура сольвус силицидов титана находится приблизительно на 50 °С ниже температуры Т_п.п (отдельные высокотемпературные силициды могут встречаться в структуре сплава – как показано на рис. 5, а), что позволяет достичь максимальной эффективности при термической обработке на твердый раствор деформированных полуфабрикатов. Однако при необходимости проведения полного послесварочного отжига сварных узлов ситуация резко осложняется: традиционный объемный послесварочный отжиг проводят в вакуумных печах при более низких температурах, в условиях относительно низких скоростей охлаждения [23], что вызывает укрупнение структурных составляющих [24], обеднение твердых растворов кремнием, выделение и рост крупных силицидов титана, большая часть которых располагается по межфазным границам, сводя эффект от выделения «низкотемпературных» силицидов при старении к минимуму [25–35]. На рис. 6 приведена типичная структура поковки из сплава ВТ41 после двойного отжига (исходное состояние) и после полного (двойного) вакуумного отжига.

Рис. 6. Микроструктура сплава ВТ41 (ПЭМ) после двойного отжига (а, исходное состояние) и полного вакуумного отжига (б)

С учетом выше приведенных данных снижение содержания циркония в сплаве ВТ41 может оказать положительное влияние на распределение силицидов в структуре материала и на уменьшение количества крупных «высокотемпературных» силицидов, выделяющихся при температурах «верхней части» двухфазной области.

С точки зрения термической обработки сварных соединений из сплава ВТ41 (применительно к узлам ротора компрессора) рассматривался вариант неполного отжига вместо полного двойного отжига. Следует отметить, что в настоящее время имеется опыт изготовления серийного изделия с отжигом сварного барабана из жаропрочного титанового сплава ВТ3-1 при температуре 750 °С [36]. В случае со сплавом ВТ3-1 интервал температур неполного отжига 700–750 °С обеспечивает возможность достаточно полного распада αʹ-мартенсита в сварном шве и зоне термического влияния, но приводит к снижению характеристик ударной вязкости, вязкости разрушения и пластичности.

В случае сплава ВТ41 с уровнем легирования α-фазы [Al]^eq ≈ 9 % это приводит к недопустимому снижению характеристик пластичности основного материала даже при кратковременных выдержках. При среднем показателе относительного удлинения δ ≈ 7,5 %, на отдельных образцах уровень удлинения может снижаться до δ ≈ 2,5 %, что обусловлено выделением интерметаллидной фазы Ti₃Al [33]. Поэтому для сварных ступеней рабочих колес ротора компрессора (при сохранении требований к прочности и жаропрочности материала) основным направлением работ является совершенствование условий и режимов полного послесварочного отжига в среде инертных газов [23] или перехода на локальную термическую обработку сварных швов.

Однако для более крупных изделий, для которых отсутствует техническая возможность обеспечения удовлетворительных условий проведения объемного послесварочного отжига по температурам и скоростям охлаждения или при невозможности повышения температуры отжига из-за коробления сварного узла, единственным вариантом остается проведение неполного отжига при температурах, близких к температуре неполного отжига сварного соединения из сплава ВТ3-1. Таким образом, корректировка химического состава сплава ВТ41, заключающаяся прежде всего в снижении содержания олова и циркония, должна обеспечить повышение технологичности сплава при термической обработке и возможность проведения неполного послесварочного отжига в условиях интенсивного выделения α₂-фазы. Снижение содержания олова и циркония на 1 % (по массе) каждого элемента составляет в эквиваленте [Al]^eq = 0,5 %, что может быть недостаточно для обеспечения условия [Al]^eq ≤ 9,0 % (условие ограниченного выделения α₂-фазы). Поэтому в скорректированном расчетном составе (в пределах возможного) было снижено содержание кислорода и алюминия – расчетный номинальный уровень легирования составил [Al]^eq = 8,35 % (содержание углерода и азота в сплаве не изменяли).

Проведен сравнительный анализ микроструктуры и механических свойств прутков и поковок из сплава ВТ41 различного химического состава. В качестве объекта для сравнения использованы результаты исследований серийных поковок второй и третьей ступеней компрессора высокого давления (табл. 1) нескольких плавок, наиболее близких по геометрическим характеристикам и массе. Содержание ряда легирующих элементов и структурные эквиваленты для сплава ВТ41 рассматриваемых плавок приведены в табл. 3.

Таблица 3

Содержание некоторых легирующих элементов и уровень легирования сплава ВТ41 (материал серийной поковки и поковки скорректированного состава)

Микроструктура материала поковок после двойного отжига приведена на рис. 7.

Рис. 7. Микроструктура поковок из сплава ВТ41 скорректированного (а) и серийного составов (б)

Микроструктура материала в обоих случаях – глобулярно-пластинчатого типа. В отдельных локальных зонах микроструктура материала крупных поковок в радиальном сечении может состоять преимущественно из вытянутых частиц первичной α-фазы, ориентированных в направлении течения металла (рис. 7, б). Тип микроструктуры материала поковок в зависимости от легирования не изменяется, однако визуально пластины превращенной α-фазы у сплава ВТ41 скорректированного состава имеют укрупненные размеры, что может быть следствием снижения содержания циркония. Различие в объемной доле первичной α-фазы обусловлено фактической температурой первой ступени отжига, назначаемой в зависимости от температуры Т_п.п каждой плавки.

Механические свойства материала поковок приведены в табл. 4. Образцы для определения кратковременной прочности и ударной вязкости вырезали в хордовом (тангенциальном) направлении, вязкости разрушения K_1с – в радиальном (вдоль волокна).

По химическому составу серийные плавки и плавка скорректированного состава сплава ВТ41 заметно отличаются снижением уровня легирования α-фазы [Al]^eq не менее чем на 0,76  % (табл. 3) при сохранении количественного содержания β-стабилизаторов на том же уровне.

Переходя к сравнительной оценке механических свойств (табл. 4), отметим, что сплав ВТ41 скорректированного состава обладает сниженным уровнем прочности как при комнатной, так и при повышенных температурах испытаний, при более высоких показателях ударной вязкости и вязкости разрушения. Снижение прочности материала ощутимо и составляет ~100 МПа. Для сплава ВТ41 серийного состава имеет место высокая дисперсия значений ударной вязкости, что объясняется особенностями фазового состава сплава при минимальной температуре старения (рис. 8), т. е. когда интерметаллидное дисперсионное упрочнение локализовано и определяется неоднородностью микроструктуры и содержанием легирующих элементов. Распад мартенсита в α-титановых сплавах типа ВТ20 и малолегированных двухфазных сплавах типа ВТ6 может происходить при температурах ~750 °С [37]. Отметим, что по наиболее актуальным данным [38] распад αʹ-мартенсита в жаропрочных титановых сплавах типа Ti-6242S происходит при температуре ~800 °С, что соответствует области наиболее интенсивного выделения интерметаллидных фаз.

Таблица 4

Результаты испытаний механических свойств поковок из сплава ВТ41

Рис. 8. Схемы режимов термической обработки полуфабрикатов и сварных соединений сплава ВТ41 (КВД – компрессор высокого давления)

Существенных изменений по минимальным значениям характеристик пластичности не наблюдается, тем не менее средние значения характеристик пластичности материала поковки скорректированного состава возрастают.

Для определения эффекта от корректировки химического состава сплава ВТ41 на технологичность материала при послесварочном отжиге проведены испытания механических свойств основного материала и материала сварных швов (табл. 5). Микроструктура материала заготовок под сварку приведена на рис. 9. Образцы для определения механических свойств вырезали вдоль и поперек сварного шва из штампованных заготовок толщиной 12 мм (рис. 4, б).

Рис. 9. Микроструктура основного материала штампованных заготовок под сварку

Микроструктура основного материала заготовок – глобулярно-пластинчатая, аналогична микроструктуре крупных поковок (рис. 7), состоит из сфероидизированных частиц первичной α-фазы и смеси превращенной (вторичной) α-фазы с прослойками β-фазы.

Таблица 5

Результаты испытаний механических свойств поковок из сплава ВТ41 после неполного отжига при температуре более 700 °С и длительных выдержках (не менее 2 ч)

Таким образом, после проведения неполного отжига химический и фазовый состав материала приходит в равновесное состояние и, как следствие, величина разброса значений ударной вязкости снижается.

Полученные результаты испытаний механических свойств основного материала поковок и сварных соединений (сварного шва) сплава ВТ41 с различным уровнем легирования α-фазы после неполного отжига свидетельствуют о сохранении высокого уровня пластичности основного материала сплава ВТ41 скорректированного состава; удовлетворительные характеристики пластичности получены и на материале сварного шва. Снижение уровня прочности сплава ВТ41 скорректированного состава в случае неполного отжига составляет в среднем 105 МПа. При этом характеристики относительного удлинения и ударной вязкости основного материала и материала шва увеличиваются более чем в 2 раза.

Прочность сварных соединений жаропрочных титановых сплавов, полученных методом электронно-лучевой сварки, как правило, определяется прочностью зоны термического влияния. На рис. 10 в виде столбчатой диаграммы приведены значения кратковременной прочности сварных образцов, вырезанных поперек шва: № 1 – из материала серийных поковок после двойного послесварочного отжига; № 2 – из материала прутков сплава ВТ41 скорректированного состава после неполного отжига.

Рис. 10. Кратковременная прочность сварных соединений для образцов, вырезанных поперек шва (разрушение по зоне термического влияния)

Прочность сварных соединений для образцов из сплава ВТ41 скорректированного состава, вырезанных поперек сварного шва, как и в предыдущих случаях, снижается на ~100 МПа.

Экспериментально установлено, что кратковременная прочность при температуре 600 °С образцов, вырезанных вдоль сварного шва, из сплава ВТ41 скорректированного состава после неполного отжига находится в интервале значений 700–740 МПа, что соответствует типичному уровню значений кратковременной прочности серийных поковок из сплава ВТ41; уровень прочности материала в сварном шве при комнатной температуре испытаний несколько больше: 1150–1200 МПа (типичные значения прочности для серийных поковок рабочих колес после двойного отжига составляют 1100–1180 МПа).

Заключения

Результаты, представленные в данной работе, открывают новые перспективы для применения жаропрочного титанового сплава ВТ41, связанные с повышением технологичности материала при термомеханической и термической обработках, а также в случае необходимости применения послесварочного отжига сварных узлов при относительно низких температурах.

Подход, примененный зарубежными специалистами в области составов (композиций) современных серийных жаропрочных титановых сплавов марок Ti-1100 и Ti-834, не позволяет получать крупные поковки из-за узкого температурного технологического интервала термомеханической и термической обработок, а в случае сплава Ti-834 – требований по скоростям охлаждения после обработки на твердый раствор.

Эти особенности, например, приводят к ограничениям максимального диаметра крупногабаритного кованого прутка, используемого в качестве исходной заготовки для изготовления штамповок дисков, ‒ до 260 мм, толщины сечения под термическую обработку – до 75 мм [39]. В настоящее время ПАО «Корпорация ВСМПО-АВСИМА» освоено изготовление поковок из сплава ВТ41 с массой до 220 кг и сечением под термическую обработку до 80 мм из исходных кованых прутков диаметром до 330 мм. Макро- и микроструктурная неоднородность неизбежно будут увеличиваться при изготовлении более крупных поковок.

Значительный запас по характеристикам пластичности сплава ВТ41 скорректированного состава, в том числе после неполного отжига при температурах интенсивного выделения фазы Ti₃Al, свидетельствует о низкой чувствительности к колебаниям структуры и химического состава α-твердого раствора, что позволит изготовить поковки большей массы с обеспечением достаточных характеристик пластичности, ударной вязкости и вязкости разрушения.

По технологичности при горячей деформации сплав ВТ41 скорректированного состава приближается к серийному сплаву ВТ20 (рис. 2), обеспечивая возможность свободной ковки мерных заготовок на молоте. При этом термическая обработка крупных поковок с охлаждением под вентилятором со скоростями охлаждения ~30 °C/мин возможна для сечений до 200 мм [24].

Снижение уровня легирования α-твердого раствора в сплаве ВТ41 (преимущественно за счет уменьшения содержания олова и циркония) ожидаемо сопровождается снижением прочности материала при повышении характеристик пластичности, ударной вязкости и вязкости разрушения. Показано, что такая корректировка дает возможность применения режимов неполного послесварочного отжига. Кроме того, снижение уровня легирования окажет положительное влияние на уровень остаточных напряжений, возникающих в результате сварки плавлением, поэтому в случае со статорными и крупными корпусными сварными деталями возможно применение более распространенного вида сварки – аргоно-дуговой, а также новых – лазерной и сварки трением c последующим неполным отжигом сварных узлов.

Благодарности

Авторы статьи выражают глубокую признательность специалистам ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА», принимавшим участие в изготовлении материалов для проведения исследований, за помощь и ценные замечания при написании статьи: М.О. Ледеру, А.С. Шибанову, М.В. Антоновой. Благодарим сотрудников Испытательного центра НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ: А.В. Заводова и С.А. Наприенко, выполнивших металлофизические исследования структуры.