Введение

Представленная статья продолжает тему качества материала штамповок из сплава ВТ6 для ответственных деталей газотурбинных двигателей (ГТД). Ранее подробно рассмотрен вопрос о влиянии методов изготовления штамповок рабочих лопаток из сплава ВТ6 на механические свойства материала, проведен сравнительный анализ серийных штамповок лопаток из сплавов ВТ3-1 и ВТ6 с учетом анизотропии характеристик в зависимости от места (перо, замок) и направления (продольное, поперечное) вырезки образцов [1].

Переходя от штамповок лопаток к поковкам и штамповкам дисков, следует отметить следующие особенности технологии изготовления:

– изготовление исходных прутковых заготовок протяжкой в фигурных (вырезных) бойках с большой степенью накопленной деформации в двухфазной области на окончательных операциях, использование закалки в воде на операциях изготовления промежуточной заготовки;

– осадка в торец мерных заготовок, штамповка с возможностью некоторого варьирования температуры нагрева под деформацию при температурах двухфазной области;

– проведение термической обработки штамповок возможно по нескольким режимам (одноступенчатый отжиг, двойной отжиг с охлаждением на спокойном воздухе, под вентилятором или в воде после высокотемпературной ступени отжига).

При освоении изготовления штамповок дисков из сплава ВТ6 стояла задача по замене сплава ВТ3-1 по аналогии с штамповками из сплава ВТ6 для лопаток. Вариант сплава ВТ6 для дисков и лопаток отличался повышенным содержанием алюминия, ванадия и железа при меньшем содержании кислорода относительно зарубежного сплава-аналога Ti–6Al–4V [2–5]. Особо отметим, что в начальный период освоения сплава ВТ6 содержание кислорода в нем было заметно меньше. В данной статье представлены результаты исследования промышленных штамповок дисков, изготовленных в середине 1980-х гг. из слитков нескольких плавок с различным химическим составом. Проведено сравнение механических свойств поковок из сплава ВТ6, изготовленных в настоящее время, представлены результаты металлофизических исследований материала этих поковок, позволяющие указать причину снижения ударной вязкости и вязкости разрушения.

Материалы и методы

Исследуемые в работе штамповки дисков изготавливали в промышленных условиях. По результатам анализа химического состава сплава ВТ6 содержание всех элементов и примесей соответствует действующим нормам. При этом для «фигурных» промышленных штамповок содержание примесей железа составило 0,35–0,40 % (по массе), кремния и углерода – по 0,01 % (по массе). Для штамповок в виде шайб специально варьировалось содержание железа: одна плавка была изготовлена без шихтовки железом (содержание железа в сплаве определялось содержанием примеси железа в титановой губке и шихтовых материалах), вторая плавка шихтовалась на предельное для сплава ВТ6 содержание железа, которое вводили в шихту в виде стружки. Уровень легирования плавок сплава ВТ6, использованных в данной работе, выраженный в алюминиевом и молибденовом структурных эквивалентах [6], приведен в табл. 1. Для сравнения там же приведены средние значения по поковкам и штамповкам из сплава ВТ6 для деталей ГТД, изготавливаемым в настоящее время, а также для сплава ВТ6ч по имеющимся результатам приемо-сдаточных испытаний.

Таблица 1

Уровень легирования материала штамповок дисков сплава ВТ6,

исследованных в работе

Изготовление «фигурных» промышленных штамповок проводили из слитков сплава ВТ6 диаметром 540 мм, полученных методом двойного вакуумно-дугового переплава, которые подвергали всесторонней ковке при температурах b-области. После предварительной деформации слитков ковку продолжили вытяжкой на прутки при температурах нагрева в b-области при более низких температурах нагрева под деформацию. Полученные промежуточные прутки обтачивали и резали на мерные заготовки. Технологическая схема изготовления штамповок из мерных заготовок, их геометрическая форма и масса приведены в табл. 2.

Микроструктура материала всех исследуемых штамповок – глобулярно-пластинчатая, несколько отличающаяся по объемной доле первичной α-фазы и степени сфероидизации частиц первичной α-фазы.

Термическую обработку штамповок проводили по режиму одноступенчатого отжига [7], для штамповок типа «шайба» ‒ температура первой ступени отжига увеличена на 50 °С [8–11].

Таблица 2

Технологическая схема и геометрические характеристики

штамповок дисков из сплава ВТ6

Результаты и обсуждение

Механические свойства материала отдельных партий «фигурных» штамповок с учетом зон и направления вырезки образцов в формате «минимальное–максимальное» значения приведены в табл. 3 и 4.

Таблица 3

Механические свойства «фигурных» штамповок дисков из сплава ВТ6

при комнатной температуре («минимальное‒максимальное» значения)

Таблица 4

Механические свойства «фигурных» штамповок дисков из сплава ВТ6 при температурах испытаний 350 и 400 °С (кратковременная прочность – минимальные значения,

длительная прочность и ползучесть – средние значения)

Помимо результатов исследований партий «фигурных» штамповок двух видов из сплава ВТ6, обобщены результаты приемо-сдаточных испытаний аналогичных штамповок из сплава ВТ6 за двухлетний период и ранее изготавливаемых серийных штамповок из сплава ВТ3-1 этих шифров. Результаты анализа механических свойств по результатам приемо-сдаточных испытаний образцов из контрольной зоны (обод, хордовое направление) приведены в табл. 5 и 6.

Таблица 5

Механические свойства штамповок дисков из сплавов ВТ6 и ВТ3-1

по результатам приемо-сдаточных испытаний при комнатной температуре

(«минимальное‒максимальное»/среднее значения)

Таблица 6

Сопротивление усталости материала «фигурных» штамповок дисков

из сплавов ВТ6 и ВТ3-1 (среднее значение, вероятность разрушения P = 50 %)

Механические свойства материала штамповок в виде шайб двух плавок с различным содержанием железа приведены в табл. 7. В пунктах 3‒5 этой таблицы приведены минимальные значения механических свойств для плавки сплава ВТ6 с содержанием железа 0,5 % (по массе) после дополнительного одноступенчатого отжига по режиму объемного послесварочного вакуумного отжига сварной секции ротора компрессора (пункт 3), последующий неполный отжиг для снятия напряжений, применяемый после механической обработки (пункт 4), и эксплуатационный нагрев (пункт 5).

Таблица 7

Механические свойства штамповок в виде шайб из сплава ВТ6

в зависимости от содержания железа и термической обработки,

исходное состояние – одноступенчатый отжиг (минимальные значения)

«Фигурные» штамповки дисков из сплава ВТ6, отнесенные условно к первому типу (1), имеют бо́льшие показатели поперечного сужения, ударной вязкости и работы разрушения образцов с усталостной трещиной KCТ по сравнению со штамповками из сплава ВТ3-1 (табл. 3 и 5) [12] при одинаковом уровне кратковременной прочности. «Фигурные» штамповки дисков из сплава ВТ6 другого вида (тип 2) при меньшем уровне кратковременной прочности (на ~50 МПа) также показывают заметно более высокие характеристики ударной вязкости и вязкости разрушения по сравнению со сплавом ВТ3-1 [13]. Анализ результатов серийных приемо-сдаточных испытаний (табл. 5) показывает бо́льшую стабильность механических свойств материала штамповок второго типа, что, по-видимому, связано с большей величиной накопленной деформации в двухфазной области на операциях осадки на шайбу и штамповки. Как видно из данных табл. 6, материал исследованных штамповок массой до 65 кг из сплава ВТ6 обладает более высокими значениями предела выносливости гладких и надрезанных образцов как в малоцикловой области долговечности, так и в многоцикловой. Отметим, что для сплавов ВТ3-1 и Ti6-4 характеристики ударной вязкости, вязкости разрушения и чувствительности к концентраторам напряжений при различных испытаниях могут снижаться в связи с выделением фазы Ti₃Al.

Приведенные в данной статье результаты испытаний материала штамповок дисков в дальнейшем подтверждены при паспортизации (общей квалификации) [14–17] штамповок дисков из сплава ВТ6, проводимой в период с 1989 по 1992 г. на промышленных штамповках массой до 100 кг. Работы проводили на пяти партиях-плавках. Частично эти результаты приведены в табл. 8.

Таблица 8

Механические свойства штамповок дисков из сплава ВТ6

(«минимальное‒максимальное»/среднее значения)

после одноступенчатого отжига при комнатной температуре

Значительный объем исследований по сплаву ВТ6 необходим, чтобы подтвердить как его технологические преимущества на этапах металлургического производства, так и достоинства, заключающиеся в его высоких значениях вязкости разрушения и низкой чувствительности к концентраторам напряжений.

Уровень механических свойств в деформированных полуфабрикатах из титановых сплавов зависит от производственных условий, разработанных технологических схем изготовления и фактических режимов термомеханической и термической обработок. Совокупность этих факторов образует специфический подход, который можно описать общеупотребительным термином ‒ технологическая наследственность. При анализе качества продукции термин можно расширить до металлургических процессов, начиная с выплавки слитков, тем самым определяя фактическое содержание примесей и основных легирующих элементов. Так, в работе [5] для горячекатаных прутков из сплава ВТ6, изготовленных в условиях ЗАО «ПО «Зубцовский машиностроительный завод», выявлено снижение кратковременной прочности и повышение относительного удлинения с увеличением размера частиц первичной α-фазы. Этот вывод распространяется на прутки, термически обработанные по различным режимам. При этом уровень легирования сплава ВТ6, изготовленного в данных производственных условиях, составляет [Al]^eq = 7,34 % (по массе) и [Mo]^eq = 3,23 % (по массе) и обеспечивает средний уровень прочности σ_в = 1013 МПа. Недостаточный уровень легирования алюминием, кислородом, ванадием и железом, по сравнению со средним уровнем легирования сплава ВТ6 для деталей двигателя в настоящее время (табл. 1, строка 2), по уровню кратковременной прочности компенсируется повышенным содержанием примеси углерода, а также большей дисперсностью частиц первичной α-фазы в катаных прутках (по сравнению с поковками и штамповками). Этим объясняется возможность значительного отклонения значений по ударной вязкости в прутках (характеристика KCU изменяется от 31 до 90 Дж/см² при норме ≥30 или ≥40 Дж/см² в зависимости от диаметра).

Фактор термической обработки имеет существенное значение по совокупности прочностных характеристик, ударной вязкости и вязкости разрушения. Результаты приемо-сдаточных испытаний серийных штамповок дисков массой до 100 кг с химическим составом, близким к указанному в табл. 1, строка 2, изготавливаемых в настоящее время, показали следующее. Основные различия между одноступенчатым и двойным отжигом по механическим свойствам наблюдаются в уровне характеристик KCU и KCT: при приблизительно одинаковом уровне характеристик кратковременной прочности и пластичности (средние значения по табл. 8), материал штамповок дисков после двойного отжига имеет заметно более высокие показатели ударной вязкости с обоими видами надреза. По минимальным значениям ударной вязкости KCU преимущество двойного отжига составляет ~17 %, по ударной вязкости KСТ значительно больше – около 70 %, т. е. близко к среднему уровню, указанному в табл. 8. Если рассматривать режим термической обработки с закалкой в воде от температуры вблизи верхней границы двухфазной области, то повышение температуры второй ступени с 750 до 800 °С статистически существенно не меняет уровень значений KCU, однако для отдельных шифров штамповок позволяет обеспечить нормируемый показатель KСU ≥ 40 Дж/см² с повышением минимального уровня KСТ более чем на 30 %. В целом применение охлаждения в воде после первой ступени термической обработки позволяет увеличить ряд прочностных характеристик: непосредственно кратковременную прочность в интервале рабочих температур, сопротивление усталости гладких образцов и образцов с надрезом, длительную прочность гладких образцов при температуре испытаний 350 °С. При определенных условиях охлаждение в воде демонстрирует весьма существенное преимущество по многоцикловой усталости материала на гладких образцах по сравнению с одноступенчатым или двойным отжигом – более чем на 20 % при сохранении предела выносливости образцов с надрезом на том же уровне.

При испытаниях более крупных серийных штамповок дисков из сплава ВТ6 (массой >100 кг), проведенных в последнее время в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ, получены следующие характеристики ударной вязкости и вязкости разрушения (табл. 9 и 10). В соответствии с действующими рекомендациями, наиболее крупные штамповки (табл. 10) проходили механическую обработку перед термической обработкой для снижения величины сечения, что улучшает условия охлаждения.

Таблица 9

Ударная вязкость (минимальные значения) материала крупных серийных штамповок из сплава ВТ6 массой до 200 кг (по результатам паспортизации в 1994 г.)

Таблица 10

Ударная вязкость (KCU и KCT) и вязкость разрушения (K_1с) материала крупных

серийных штамповок из сплава ВТ6 массой >200 кг (фактическое сечение штамповок

под механическую обработку не превышает 70 мм, масса обточенной штамповки ~119 кг)

Видно, что характеристики KCT и K_1с материала штамповок заметно снижаются по сравнению с ранее полученными на штамповках массой до 100 и 200 кг.

К причинам, вызывающим снижение характеристик ударной вязкости и вязкости разрушения в крупных штамповках из сплава ВТ6 с глобулярно-пластинчатым типом микроструктуры, могут быть отнесены изменения в химическом составе частиц превращенной α-фазы и прослоек β-фазы в зависимости от скорости охлаждения. При определенных скоростях охлаждения β-фаза «пересыщается» алюминием, а превращенная α-фаза содержит избыточное по отношению к стабильному состоянию количество ванадия. Этот процесс подробно описан в работах [18, 19]. При нагреве сплавов типа Ti6-4 количество β-фазы существенно не изменяется до температуры 800 °С, аналогичную тенденцию следует ожидать и для других сплавов-аналогов. Тем не менее увеличение температуры на второй ступени термической обработки после охлаждения в воде до 800 °С по опыту со штамповками меньшей массы может дать прирост характеристик вязкости разрушения материала вследствие ускорения диффузионных процессов и стабилизации химического состава фаз.

При этом анализ технологии изготовления штамповки показал, что ее правку проводили при заниженной температуре относительно рекомендованного температурного интервала. Совокупное влияние вышеуказанных факторов можно расценивать как причину снижения свойств.

Если рассматривать работу разрушения образцов с усталостной трещиной KCT, то ее низкие значения вместе с характеристикой вязкости K_1с могут указывать на снижение порогового значения коэффициента интенсивности напряжений при испытаниях на скорость роста трещины усталости (СРТУ), которое для титановых сплавов находится в области до ΔK ≈ 8 и соответствует переходу от «малых» усталостных трещин к росту «больших» трещин [20–24], что требует дополнительных испытаний и исследований.

Важным для сплавов типа ВТ6 и Ti6-4 является влияние содержания кислорода, которое отражается не только на значениях ударной вязкости и вязкости разрушения, но и на накоплении повреждений в материале в условиях циклического нагружения, включая малоцикловую усталость с выдержкой при максимальном напряжении цикла. В модельном α-сплаве Ti-7Al-О (с химическим составом первичной α-фазы сплава Ti6-4) [25–27], увеличение содержания кислорода с 0,05 до 0,25 % (по массе) (уровень легирования α-фазы возрастает с [Al]^eq » 7,5 % (по массе) до [Al]^eq » 9,5 % (по массе)) для одинаковых условий нагружения, повышенного содержания кислорода вместе с интенсивным выделением фазы Ti₃Al приводит к существенному росту плотности дислокаций [28–31].

Исследуя уровень ударной вязкости и вязкости разрушения в отечественных сплавах типа ВТ6, нельзя не упомянуть сплав ВТ6ч [32, 33], применяемый для изготовления крупногабаритных поковок для деталей планера, кратно превосходящих по массе и габаритам штамповки и поковки дисков. Для таких сборочных единиц планера необходимо изготовление сварных конструкций. Большие сечения сваривают многопроходной электронно-лучевой сваркой, в отдельных случаях требуется ремонт и подварка в связи с растрескиванием из-за высоких послесварочных и термических напряжений [34]. Поэтому на базе сплава ВТ6, первоначально применяемого для конструкций планера в листовом варианте для деталей двигателя, появилась его модификация – сплав ВТ6ч со сниженным содержанием ванадия, железа, углерода и кислорода относительно сплава ВТ6 для деталей двигателя. Изделия из сплава ВТ6ч можно изготовлять путем деформации или термической обработки как в двухфазной области, так и в однофазной β-области. Последний метод в данной статье не рассматривается, так как штамповки дисков изготавливают при температурах двухфазной области. В НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ на штамповках с преимущественно глобулярной микроструктурой из сплава ВТ6ч при комнатной температуре получен следующий уровень свойств (средние значения): σ_в = 922 МПа, δ = 9,0 %, ψ = 16,2 %, KCU = 52 Дж/см², K_1с = 95 МПа√м. Серийные штамповки сечением 86‒170 мм из сплава ВТ6ч, изготовленные в 2024 г., по данным всесторонних исследований обладают при комнатной температуре следующим уровнем свойств: σ_в ≥ 898 МПа, δ ≥14,7 %, ψ ≥ 28,9 %, KCU≥44 Дж/см². При несколько меньшей средней кратковременной прочности, сниженных характеристиках пластичности из-за различия в накопленной деформации при температурах двухфазной области, особо крупные поковки из сплава ВТ6ч сохраняют преимущества по значениям ударной вязкости и вязкости разрушения.

Заключения

Переходя к результатам испытаний, представленным в данной статье, а также обобщая ранее опубликованные результаты исследований штамповок лопаток из сплава ВТ6, следует отметить следующее.

Как в отечественном сплаве ВТ6, так и в зарубежном сплаве Ti6-4 железо относится к примесям, однако без его введения прочностные характеристики сплава ВТ6 находятся на низком уровне. В таком варианте сплав ВТ6 не может конкурировать с другими двухфазными титановыми сплавами, применяемыми для изготовления деталей ГТД. При этом содержании железа (на уровне, близком к предельно допустимому) сохраняются высокие характеристики пластичности и ударной вязкости материала.

Преимущества сплава ВТ6, заключающиеся в меньшей чувствительности к концентраторам напряжений при испытаниях на статическое растяжение и сопротивление усталости, позволили рекомендовать его для изготовления деталей двигателя с рабочей температурой до 300 °С. Аналогичные выводы сделаны по штамповкам лопаток (подробно об этом ‒ см. работу [1]).

В отсутствии значимого скопления примесных элементов внедрения (прежде всего – кремния и углерода) ударная вязкость материала сохраняется на высоком уровне, в том числе в случае термической обработки с охлаждением в воде и высокотемпературной термомеханической обработки (ВТМО), а также при высоком содержании железа.

Наличие контроля химического состава, требований к структуре материала и уровню механических свойств при испытаниях на растяжение и ударный изгиб позволяют в некоторой степени «дисциплинировать» производителя, выявляя основные особенности и причинно-следственные связи между действующей технологической цепочкой и результатами приемо-сдаточных испытаний. Отмечено, что при изготовлении продукции, предназначенной для деталей ГТД, в директивной технологической документации имеются обязательные требования к основным технологическим операциям металлургического производства, начиная с шихтовки и выплавки слитков, видам контроля на каждом металлургическом цикле, а также дополнительным характеристикам, имеющим непосредственное отношение к подтверждению металлургического качества продукции конкретной партии-плавки. В качестве примера можно привести температуру полного полиморфного превращения, которая нормируется для каждой марки сплава. Исключение из сложившейся системы контроля металлургической продукции характеристик ударной вязкости KCU и KСТ (для штамповок дисков и крупногабаритных штамповок лопаток), безусловно, снизит ее качество. Случаи снижения этих характеристик требуют объяснения и не должны игнорироваться производителем и потребителем продукции. Отметим, что случаи несоответствия характеристики KCT по результатам контроля готовой продукции на штамповках дисков из жаропрочного титанового сплава ВТ9, имеющие место с 2022 г., по предварительным результатам анализа указывают на наличие критического количества введенных отходов (как кусковых, так и стружки) при производстве слитков. Подобный подход при производстве слитков недопустим ‒ как для ответственных деталей авиационных двигателей, так и для изделий авиационной техники. Любые существенные изменения шихтовки производимых слитков должны сопровождаться работами с участием отраслевых институтов, включающими глубокий анализ статистических данных по колебанию механических свойств в зависимости от набора шихтовых материалов, а также непосредственную оценку итогового химического состава и свойств полуфабрикатов, изготовленных из опытных слитков. Сплав ВТ6ч в данном случае оказывается в более выгодном положении из-за ограничений по содержанию кислорода, углерода и железа.

В соответствии с ГОСТ Р 58175‒2018 «Авиационная техника. Управление поставщиками при создании авиационной техники. Общие требования», введенном в действие 01.09.2018 и разработанном в рамках работы технического комитета по стандартизации № 323 «Авиационная техника», вся полнота ответственности за качество произведенного материала возложена на потребителя (головного разработчика, головного изготовителя). Между тем при возникновении вопросов по соблюдению технологических норм и по качеству материала, в отсутствие взаимодействия организаций, сертифицирующих производство, и организаций, контролирующих конкретное производство, потребитель не в состоянии принять решение. Поэтому в большинстве случаев потребитель обращается в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ. Ввиду этого является крайне важным закрепление в выпускаемой нормативной документации за институтом функции контроля соблюдения требований к технологии и свойствам полуфабрикатов путем согласования отчетов о всесторонних исследованиях, а также направление для анализа статистики по результатам приемосдаточных испытаний. Для обеспечения прослеживаемости взаимосвязи состава, процессов изготовления, свойств и характеристик применяемые в авиационной отрасли материалы должны пройти общую квалификацию в соответствии с ПНСТ 658-2022 [15]. При этом основная функция института осталась прежней – разработка новых авиационных материалов [35].

Приведенные в данной статье отдельные сведения по работам, связанным с освоением производства полуфабрикатов из сплава ВТ6, свидетельствуют о значительных практических усилиях, требуемых от всех заинтересованных сторон ввиду необходимости масштабных работ по подтверждению тех или иных технических решений. В этом смысле действующая нормативная документация длительно совершенствовалась. Нормируемые показатели технических требований к материалу не следует путать с расчетными значениями прочностных характеристик, которые определяются при специальной квалификации [36–38] нормами Авиационных правил и характеристиками надежности [39, 40]. Отметим, что действующая отраслевая документация прямо предусматривает введение по соглашению сторон дополнительных технических требований к материалу при наличии такой необходимости.

Проблема снижения характеристик ударной вязкости и вязкости разрушения, разброса значений долговечности при испытании образцов с надрезом на малоцикловую усталость крупных штамповок из сплава ВТ6 массой 200–500 кг ставит под сомнение целесообразность применения сплава ВТ6 в подобных изделиях. В связи с этим производитель обязан установить причинно-следственные связи, провести производственные мероприятия для исправления ситуации со штамповками дисков из сплава ВТ6.

Благодарности

Авторы выражают благодарность А.В. Заводову за проведенные исследования материала штамповок дисков из сплава ВТ6 методом просвечивающей электронной микроскопии, а также А.Р. Кондратьеву, А.В. Несоленову за помощь, которую они оказали при оформлении статьи. Авторы отдельно благодарят сотрудников лаборатории титановых сплавов за замечания и предложения при обсуждении рукописи статьи.