Введение

Важной задачей создания авиационно-космической техники является разработка конструкций летательных аппаратов с высокой надежностью при минимальной массе [1]. Используемые в настоящее время серийные низколегированные литейные титановые сплавы типа ВТ5Л и ВТ21Л при достаточно низкой стоимости и хорошей технологичности имеют сравнительно низкий гарантированный уровень прочности σ_в ≥ 990 МПа и сопротивления усталости σ_–1 ≥ 220 МПа (при N = 10⁷ циклов). Для новых изделий авиационно-космической техники необходимы литые детали из сплавов, близких по свойствам к высокопрочным деформируемым титановым сплавам типа ВТ22 (σ_в ≥ 1000 МПа) [2–4]. Однако использование деформированных полуфабрикатов вместо литых заготовок приводит к увеличению стоимости деталей на 20–30 % за счет снижения коэффициента использования металла, увеличения трудозатрат из-за необходимости многопереходных операций и большого объема механической обработки [5, 6].

Экономнолегированный литейный титановый сплав ВТ40Л [7], легированный малыми количествами β-стабилизаторов и элементов внедрения (кислород и углерод), которые в сумме не превышают 10 % (по массе), обладает повышенными значениями прочности и сопротивления усталости (σ_в ≥ 1030 МПа; σ_–1 ≥ 260 МПа при N = 10⁷ циклов). При малом содержании легирующих элементов менее развита зональная и межкристаллитная ликвация, что особенно важно для фасонного литья. Экономное легирование позволяет получить мелкозернистую структуру, обеспечивающую удовлетворительный комплекс механических и эксплуатационных свойств. Сплав ВТ40Л также обладает технологичностью на уровне серийного сплава ВТ21Л, а плотностью – на 20 кг/м³ ниже за счет меньшего использования тяжелых легирующих элементов, что обеспечивает более высокие удельные характеристики [7].

С другой стороны, сплав ВТ40Л не является дорогостоящим – при его разработке основывались на следующих принципах:

– уменьшение содержания в сплаве дорогих и дефицитных легирующих элементов (V и др.);

– легирование дешевыми эвтектоидообразующими элементами (Fe, Cr);

– легирование с применением элементов внедрения (O, N) [8].

Сплав ВТ40Л относится к системе легирования Ti–Al (Mo, V, Fe, Zr, Si, O, C) и имеет [Mo]_экв < 2,5. Изделия из сплава получают без применения упрочняющей термической обработки, что обеспечивает точность геометрических размеров отливок ввиду отсутствия коробления при высоких температурах. На рис. 1 представлено место сплава ВТ40Л в номенклатуре литейных титановых сплавов на диаграмме в координатах «эквивалент алюминия–эквивалент молибдена», которые показывают склонность к выделению α₂-фазы ([Al]_экв), степень легирования сплава β-стабилизаторами и их влияние на мартенситное превращение ([Mo]_экв) [8–10].

Рис. 1. Расположение литейных титановых сплавов (●) на диаграмме в координатах «эквивалент Al–эквивалент Mo» (š – экономнолегированный сплав)

Качество исходной заготовки (слитка) является одним из самых важных факторов при изготовлении любого вида металлических заготовок. Во многом от слитка зависят свойства получаемых в дальнейшем деформированных полуфабрикатов, отливок, и, как следствие, готовых изделий. Основным показателем качества слитка является равномерность химического состава по его сечению и высоте [11, 12]. Однако требования к разности значений содержания легирующих элементов в слитках из литейных титановых сплавов не регламентированы. Поэтому в данной статье дана оценка однородности химического состава слитков вакуумно-дугового переплава из экономнолегированного титанового сплава ВТ40Л с использованием методов статистического анализа.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ в рамках реализации комплексного научного направления 8. «Легкие, высокопрочные коррозионностойкие свариваемые сплавы и стали, в том числе с высокой вязкостью разрушения» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [13].

Материалы и методы

Исследования проводили на одиннадцати слитках сплава ВТ40Л, выплавленных методом двукратного вакуумно-дугового переплава. Пределы химического состава сплава по паспорту и шихтовой состав сплава ВТ40Л представлены в табл. 1.

Таблица 1

Состав сплава ВТ40Л

Для выплавки слитков использовали губчатый титан марки ТГ-110, лигатуры АМВТУ и АМТ, а также алюминий, железо, цирконий, кремний и рутиловый концентрат. Для достижения большей равномерности из шихтовых материалов формировали одинаковые по массе (500 г) и составу порционные навески. Прессование расходуемых электродов диаметром 100 мм проводили полунепрерывным методом в проходную матрицу на гидравлическом прессе при давлении от 13 до 15 МПа. Такой уровень давления обеспечивает необходимую сплошность прессованных электродов и не позволяет допустить падения в жидкую ванну металла нерасплавленных кусков лигатур и титановой губки. Для первого вакуумно-дугового переплава расходуемым электродом являлся прессованный электрод. Для второго – слиток первого переплава, закрепленный в печи донной частью вверх [14–16].

Исследования химического состава сплава проводили спектральным методом по ГОСТ 23902–79.

Результаты и обсуждение

Сплав ВТ40Л является экономнолегированным и многокомпонентным, т. е. содержит много легирующих элементом в небольших концентрациях. В связи с этим диапазоны содержания легирующих элементов в сплаве достаточно узкие, что дополнительно осложняет задачу получения слитка, соответствующего номинальному (марочному) составу сплава в любой точке своего объема. При отработке технологии выплавки слитков из экономнолегированного литейного титанового сплава ВТ40Л методом вакуумно-дугового переплава варьировали значения тока и напряжения, а также изменяли временны́е параметры процесса с целью исключения возможного появления поверхностных дефектов слитков [14].

Для расчета основных технологических параметров плавки существует несколько подходов: первый – через глубину жидкой ванны металла [17]. Для вакуумно-дуговой плавки титановых слитков формула расчета глубины жидкой ванны выглядит следующим образом:

H = 5(1 – 0,25D)[1 – 0,0015(1 + 5D)(D/v)²]ν,

где H – глубина жидкой ванны, м; D – диаметр слитка, м; ν – массовая скорость плавки, кг/с.

Поскольку массовая скорость плавки пропорциональна силе тока электрической дуги (ν = kI, где I – сила тока дуги, кА), формулу можно упростить:

H = k₁I.

Коэффициент k₁ для титана составляет 0,04 м/кА. Согласно научно-техническим литературным данным, указанную формулу также можно использовать для расчета глубины жидкой ванны при выплавке слитков низко- и среднелегированных титановых сплавов.

Второй подход – через массу жидкой ванны, которую можно рассчитать по формуле

m_в = (πγ)/2·R²H [кг],

где γ – плотность; R – радиус слитка, м.

Выразив силу тока дуги, формулу можно упростить до вида

m_в = 280·R²I [кг].

Режимы первого переплава для слитков сплава ВТ40Л выбраны из расчета массы ванны жидкого металла, чтобы в расплавленном состоянии постоянно находились пять порций шихты (2,5 кг). Таким образом, расчетное значение силы тока дуги для первого переплава в кристаллизаторе диаметром 130 мм равно 2,1 кА.

Для второго переплава в кристаллизаторе диаметром 160 мм необходим ток большей величины ввиду того, что расходуемым электродом является слиток первого переплава, имеющий бόльшие плотность и диаметр, чем прессованный электрод. Таким образом, расчетное значение тока принимаем равным 2,7 кА.

Из научно-технических литературных данных известно, что для нормального хода плавки, для удовлетворительного проплавления и усреднения состава слитка необходимо иметь плотность тока на расходуемом электроде >10 А/см². Однако этот параметр ограничивается технологическими соображениями: при очень большой скорости плавки не успевают протекать процессы дегазации [18]. При рассчитанных значениях тока для первого и второго переплавов плотность тока составляет 16 и 13 А/см² соответственно.

Напряжение выбрано опытным путем и регулируется при визуальном контроле плавки на мониторе вакуумно-дуговой печи.

По указанному режиму в вакуумно-дуговой печи выплавлены восемь слитков из экономнолегированного литейного титанового сплава марки ВТ40Л (один из них представлен на рис. 2, а). Для изучения равномерности распределения легирующих элементов по высоте и по сечению слитков их подвергали механической обработке для снятия короны (донная часть слитка и боковая поверхность механической обработке не подвергались). Далее вырезали темплеты из верхней, средней и донной частей. Из каждого темплета вырезали по 5 образцов согласно схеме, представленной на рис. 2, б, в.

Рис. 2. Внешний вид слитка сплава ВТ40Л после двойного переплава (а), схема вырезки образцов (б), темплеты из слитка сплава ВТ40Л, размеченные под вырезку образцов (в)

Анализ полученных результатов показал, что химический состав всех исследуемых слитков из экономнолегированного литейного титанового сплава ВТ40Л во всех точках соответствует требованиям паспорта на сплав. Далее проводили статистическую оценку равномерности химического состава слитков методом статистического анализа с использованием контрольных карт Шухарта.

Контрольная карта Шухарта [19] – это графический метод представления и сопоставления информации, основанный на данных периодического измерения характеристик некоего процесса или продукта. Этот метод позволяет оценить «стабильность процесса», или, в данном случае, равномерность распределения химических элементов. Карты Шухарта отличаются от обычных графиков показателей процесса наличием нескольких горизонтальных линий – контрольных границ. Контрольные границы в данном случае не являются пределами содержания элементов, а рассчитываются специальным образом. Они находятся на расстоянии 3σ от центральной линии, где σ – генеральное стандартное отклонение используемой статистики. Для определения σ вычисляют выборочное стандартное отклонение или умножают выборочный размах на соответствующий коэффициент. Границы ±3σ указывают на то, что ~99,7 % значений характеристики подгрупп попадут в эти пределы при условии, что процесс стабилен. Иными словами, если все значения на карте находятся внутри контрольных границ, то с вероятностью 99,7 % можно считать, что процесс стабилен, или, в данном случае, что распределение элементов равномерно.

Существует несколько типов контрольных карт. В представленной статье использовали карты для количественных данных в ситуации, когда средние значения не заданы. Такой выбор обусловлен тем, что расчетный шихтовой состав невозможно во всех случаях принять за среднее значение (среднюю линию) из-за того, что во всех компонентах сплава, а особенно в титановой губке и лигатурах, могут присутствовать другие элементы в незначительных количествах, что должно было бы сместить центральную линию неким образом, однако на практике учесть все эти примеси весьма затруднительно.

Наиболее часто при статистическом анализе используют пару карты значений: средних () и размахов (R). Размах – это разность наибольшего и наименьшего значений в подгруппе. Такая пара отражает состояние процесса через разброс (изменчивость от единицы к единице) и через расположение центра (среднее процесса).

Контрольные границы для карт средних рассчитывали по следующим формулам:

UCL =  + A₂R̅ (верхняя контрольная граница);

LCL = – A₂R̅ (нижняя контрольная граница);

CL = R̅ (средняя линия),

где – среднее средних значений в подгруппе; А₂ – коэффициент для вычисления линий контрольных карт (для восьми наблюдений в подгруппе равен 0,373); R̅ – средний размах подгруппы.

Контрольные границы для карт размахов рассчитывали по следующим формулам:

UCL = D₃R̅ (верхняя контрольная граница);

LCL = D₄R̅ (нижняя контрольная граница);

CL = R̅ (средняя линия),

где D₃ и D₄ – коэффициенты для вычисления линий контрольных карт (для восьми наблюдений в подгруппе D₃ = 0,136, а D₄ = 1,864).

Далее представлены значения средних и размахов для всех легирующих элементов (табл. 2).

Таблица 2

Значения средних и размахов для слитков сплава ВТ40Л

Как видно из приведенных данных, средние значения для всех элементов, кроме алюминия, весьма близки к шихтовому составу. Это объясняется разницей в температурах плавления компонентов. При расчете состава сплава для алюминия закладывается небольшое увеличение его количества для нивелирования «угара».

На рис. 3 представлены контрольные карты Шухарта для средних и размахов.

Рис. 3. Контрольные карты средних и размахов для всех легирующих элементов сплава ВТ40Л

Рис. 3 (продолжение). Контрольные карты средних и размахов для всех легирующих
элементов сплава ВТ40Л

Анализ контрольных карт показывает, что процесс изготовления слитков сплава ВТ40Л методом двукратного вакуумно-дугового переплава стабилен и по разбросу значений и по положению среднего. В таком случае можно оценить показатели процесса, которые характеризуют потенциальные и фактические возможности процесса удовлетворять установленным техническим допускам для значений выходного показателя качества, измеряемого по количественному признаку [20].

Для начала необходимо рассчитать собственную изменчивость процесса (т. е. зависящую только от обычных причин вариаций, не учитывающую внештатные ситуации) по следующей формуле:

где R̅ – средний размах подгруппы, так же как и для контрольных карт; d₂ – коэффициент для восьми измерений в подгруппе, равный 2,847.

Далее необходимо определить так называемые индексы воспроизводимости процесса: С_p и C_pk. Первый индекс показывает возможности процесса удовлетворять технический допуск без учета положения среднего значения, а второй – с учетом.

где USL – наибольшее предельное значение показателя качества, LSL – наименьшее.

В табл. 3 приведены рассчитанные значения индексов воспроизводимости процессов для всех легирующих элементов сплава ВТ40Л.

Таблица 3

Индексы воспроизводимости для слитков сплава ВТ40Л

Зная индексы воспроизводимости, можно предварительно оценить качество процесса изготовления слитков в более простых единицах – уровнем несоответствия продукции в процентах (табл. 3).

Заключения

Установлено, что для обеспечения отсутствия ликвационной неоднородности по сечению и высоте в слитках из сплава ВТ40Л, полученных методом вакуумно-дугового переплава, необходимо поддерживать плотность тока для первого и второго переплавов 16 и 13 А/см² соответственно.

С точки зрения статистики для улучшения стабильности процесса выплавки существует несколько направлений, наиболее перспективным из которых, в данном случае, является снижение влияния случайных (обычных) причин изменчивости процесса. Это может быть выполнено путем поддержания равномерного распределения шихтовых элементов в процессе компактирования электродов с использованием автоматизированных систем дозаторов.

Однако при дальнейшем производстве слитков следует регулярно применять методы статистической оценки качества продукции и отслеживать изменчивость процесса