Классификация и свойства титановых сплавов

Т.А.ИЛЬИНКОВА

ЦВЕТНЫЕ СПЛАВЫ

В авиационной технике

Учебное пособие для студентов бакалавров

Казань 2015

Т.А.ИЛЬИНКОВА

ЦВЕТНЫЕ СПЛАВЫ

В авиационной технике

Учебное пособие для бакалавров

Рекомендовано к печати учебно-методическим центром

КНИТУ-КАИ в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся в бакалавриате по направлениям подготовки

«Материаловедение и технология материалов», «Машиностроение», «Авиастроение»

Учебное пособие разработано в рамках проекта ТЕМПУС MMATENG

«Модернизация учебных планов двух уровней (бакалавриат, магистратуры),основанных на компетенциях, в области материаловедения в соответствии с лучшей практикой Болонского процесса» (Modernization of two cycles (MA, BA) of competence-based curricula in Materia lEngineering according to the best experience of Bologna Process)

Web-site проекта: mmateng.eu

Казань 2015

УДК 621.002.3 (075.8)

ББК

Т31

Рецензенты:

Абдрахманова Л.А., профессор, д.т.н.

Гильманов Р.З., профессор, д.х.н.

Т.А. Ильинкова: “Цветные сплавы в авиационной технике”

Учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся в бакалавриате по направлению подготовки «Материаловедение и технология материалов», «Машиностроение», «Авиастроение»

Казань, 2015, 104 с.

Рассмотрены основные группы цветных сплавов, применяемых в авиационной технике.

Проект финансируется при поддержке Европейской Комиссии.

Содержание данной публикации является предметом ответственности авторов и не отражает точку зрения Европейской Комиссии.

Ó Изд-во Логос,2015.

Т.А.Ильинкова, 2015

ISBN

СОДЕРЖАНИЕ

Введение …………………………………………………………………..5

1. Титановые сплавы……………………………………………………...7

2. Алюминиевые сплавы……………..…………………………..23

3. Магниевые сплавы……………………………………………………37

4. Никелевые и железоникелевые сплавы……………………………..40

5. Медные сплавы………………………………………………………..49

6. Тестовые вопросы…………………………………………………….55

ВВЕДЕНИЕ

Среди большого многообразия цветных сплавов материалов конструкционного назначения насчитывается не так много. Это в первую очередь сплавы на основе титана, алюминия, никеля, областью применения которых является в первую очередь авиационная промышленность. Эти сплавы способны обеспечить эксплуатацию авиационной техники при высоких температурах и нагрузках с высокой степенью надежности. Ниже, в таблице 1.1. указаны максимальные температуры эксплуатации различных типов сплавов на основе алюминия, титана, никеля.

Таблица 1.1.

Группа материалов	Максимальная температура эксплуатации ,°С
Алюминиевые сплавы
Титановые сплавы
Титановые интерметаллидные сплавы	650 ... 1040
Никелевые сплавы	650 ... 850
Монокристаллические никелевые сплавы	870 ... 1095
Никелевые сплавы для камер сгорания (листовые)	870…1095

В процессе развития авиастроения постоянно ужесточаются требования к материалам. Тяжелые и менее жаропрочные мате­риалы уступают место новым материалам с более высокими значениями этих характеристик.

На рис. 1.1 показано, как изменялась структура потребления материалов по мере совершенствования конструкции и технологии производства авиационных газотурбинных двигателей.

Рис. 1.1.- Объем потребления различных материалов по мере развития производства ГТД:

1 - алюминиевые сплавы;2 - полимерные композиционные материалы; 3 - титановые сплавы; 4 - металлические композиционные материалы; 5 - никелевые сплавы; 6 - керамические композиционные материалы; 7 - высокопрочные стали

Как видно из приведенных данных, основными материалами, исполь­зуемыми в настоящее время для изготовления ГТД, являются: высокопрочные стали, титановые сплавы и сплавы на никелевой основе.

Титановые сплавы

Титан относится к металлам, который стал известен человечеству относительно недавно – с 18 столетия. Открытие титана принадлежит химику-любителю, английскому священнику Вильяму Грегору. Однако получение титана в чистом виде, без примесей состоялось лишь в 20-м столетии. Голандский исследователь Аркель де Бур получил титан высокой степени чистоты с помощью иода. Путем взаимодействия титана с иодом при температурах 150-400 градусов было получено соединение четырехиодистый титан, которое потом при 1400 градусах подвергалось разложению с образованием чистого титана. Поэтому такой титан называется иодидный. Он применяется в электротехнике, изготовлении вакуумной техники и др. специальных областях.

Более дешевый способ разработан немецкий исследователь Вильгельм Кролль в тридцатых годах 20-го столетия. Он получил титан путем восстановления четыреххлористого титана металлическим магнием. Именно метод Кролля положен в основу промышленного способа получения титана.

Титан серебристо-белый легкий металл с плотностью 4,5 г/см³.

Он относится к группе легких металлов конструкционного назначения, среди которых находятся алюминий, магний, бериллий. Температура плавления титана зависит от степени чистоты и находится в пределах 1660…1680⁰С. Чистый иодидный титан, в котором сумма примесей составляют 0,05…0,1 %, имеет модуль упругости 112 ГПа, временное сопротивление около 300 МПа, относительное удлинение 65%. Наличие примесей сильно влияет на свойства. Так, для технического титана ВТ-1, с суммарным содержанием примесей 0,8 %, временное сопротивление составляет 650 МПа, а относительное удлинение – 20 %. Технический титан, является более дешевым по сравнению с иодидным почти в двадцать раз. Титан имеет низкую теплопроводность, отличается более высокой пластичностью, вязкостью, но меньшим модулем упругости по сравнению со сталью. У него высокое сопротивление усталости – выносливость. Важным показателем любого металла является предел текучести. Предел текучести у титана в два с половиной раза выше, чем у стали ив 18 раз выше, чем у алюминия. При температуре 882⁰С титан претерпевает полиморфное превращение, низкотемпературный a–титан с гексагональной решеткой переходит в b– титан с объемно-центрированной кубической решеткой. Наличие полиморфизма у титана создает предпосылки для улучшения свойств титановых сплавов с помощью термической обработки.

Легирование титана железом алюминием, марганцем, хромом, оловом, ванадием, кремнием повышает его прочность (σ_в, σ_0.2), но одновременно снижает пластичность (δ, ψ) и вязкость (КСU).Жаропрочность повышают алюминий, цирконий, молибден, а коррозионную стойкость в растворах кислот - цирконий, молибден, ниобий, тантал, палладий.

Титановые сплавы имеют ряд преимуществ по сравнению со сталями и другими цветными сплавами. Они сочетают высокую прочность (800…1000 МПа) с хорошей пластичностью (12…25%), обладают малой плотностью (4,5 г/см³), что обеспечивает высокую удельную прочность; хорошей жаропрочностью до 600…700⁰С; высокой коррозионной стойкостью в атмосфере, воде, агрессивных средах.Сплавы на основе титана получили значительно большее применение, чем технический титан. Такие элементы, как алюминий, азот, кислород повышают температуру полиморфного превращенияα↔β и расширяют область α - фазы; их называют α – стабилизаторами (рис.1.1.а).

Рис.1.1. - Влияние легирующих элементов на точку полиморфного превращения титана

Молибден, ванадий, марганец, железо, хром понижают температуру полиморфного превращения α↔β и расширяют область существования β–фазы. Их называют β – стабилизаторами (рис.1.1 б). Некоторые β - стабилизаторы (хром, марганец, железо и др.) образуют с титаном интерметаллидные Тi_xM_y соединения.

Если при охлаждении β–фаза претерпевает эвтектоидное превращение β→α + Тi_xM_y, то такие β-стабилизаторы называют эвтектоидообразующими(рис.1.1 в). Превращение α↔β в сплавах происходит в интервале темпе­ратур. Как правило, все промышленные сплавы титана содержат алюминий.

Термическая обработка титановых сплавов.Титановые сплавы в зависимости от их состава и назначения подвергают от­жигу, закалке, старению и химико-термической обработке.

Отжиг. При медленном охлаждении из β –области полиморфное превращение β ® α в титане и титановых сплавах происходит путем образования и роста зародышей α-фазы, т.е. диффузионным путем. Отжиг титановых сплавов проводят для выравнивания структуры и фазового состава, снижения прочности, повышения пластичности. Отжиг α-сплавов проводят при 800-850⁰С, а (α+β)-сплавов при 750-800⁰С. Листы и листовые полуфабрикаты отжигаются при более низкой темпера­туре (740-760⁰С). Применяется и изотермический отжиг - на­грев сплава до 870-980⁰С и далее выдержка при 530-660⁰С. С повышением количества β- стабилизатора температура отжига снижается.

Для обеспечения высокой кон­струкционной прочности α+β-сплавов следует применять отжиг при темпера­туре на 20 - 30⁰С ниже температуры α+β→β превращения. В последние годы все шире применяется вакуумный отжиг, который позволяет уменьшить содержание водорода в титановых сплавах, что приводит к существенному повышению вязкости разрушения, уменьшению склонности к замедленному разрушению и коррозионному растрескиванию. Для снятия внутренних напряжений, возникающих при меха­нической обработке α- и (α+ β)-сплавов, применяют неполный отжиг при 550–650⁰С. С увеличением количества β-стабилизатора временное сопротивление σ_ви предел текучести σ_0.2 отожженных сплавов возрастают.

Закалка. При быстром охлаждении превращение β-фазы в титановых сплавах протекает по мартенситному механизму в интервале температур М_н—М_к (рис.1.2). Мартенситная α'-фаза представляет собой пересыщенный твердый раствор замещения легирующих элементов в α-титане с гексагональной решеткой.

В промышленных титановых сплавах с эвтектоидообразующимиb-стабилизаторами эвтектоидное превращение β ® α +Х при обычных скоростях охлаждения (вместе с печью, на воздухе) вообще не происходит.

В начале координат этого разреза находится сплав типа ВТ5 (5% алюминия). На диаграмме сплошными линиями нанесены кривые равновесия твердых α- и β- растворов; пунктиром – линии начала (М_н) и конца (М_к) мартенситного превращения; а также линия начала превращения β ®w(Тw), где w - мартенситная фаза особого типа.

При высокой концентрации β-стабилизаторов температуры начала и конца мартенситного превращения снижаются и достигают комнатной температуры при третьей и первой критических концентрациях С_кр^¢¢¢ и С_кр^¢. Точка пересечения кривых М_н и Тw отвечает второй критической концентрации С_кр^¢¢. В сплавах с содержанием β-стабилизаторов выше Скр^¢¢ обычное мартенситное превращение не реализуется, а протекает превращение β ®w .

При закалке из β-области сплавов с содержанием β-стабилизаторов ниже Скр^¢ протекает мартенситное превращение β®α¢, где α¢-мартенситная фаза. Представляющая собой твердый раствор замещения β-стабилизаторов в α-титане с г.п.решеткой. В этих сплавах мартенситное превращение доходит до конца, т.к. температура М_к оказывается выше комнатной.

В сплавах левее точки С₁ α¢-мартенсит представляет собой ненасыщенный твердый раствор; в сплаве, отвечающем составу точке С₁ – насыщенный раствор и в сплавах правее точки С₁ -пересыщенный твердый раствор β-стабилизаторов в α-титане. Ненасыщенный и насыщенный α¢-твердые растворы мало чем отличаются от α-раствора. Пересыщенный твердый раствор, также как и мартенсит в стали имеет механические свойства, зависящие от степени пересыщения. Сильно пересыщенный твердый раствор имеет высокую прочность, твердость и малую пластичность. α¢-мартенситная фаза выявляется под микроскопом как игольчатая фаза.

При закалке сплавов в интервале С_кр^¢ - С_кр^¢¢ мартенситное превращение β®α¢ не доходит до конца, т.к. кривая М_коказывается ниже комнатной температуры. Поэтому в структуре этого сплава сохраняется остаточная β-фаза, а при температурах ниже Тw в β-фазе образуется еще одна мартенситная ώ-фаза, особенность которой заключается в том, что она всегда когерентна β-фазе и, следовательно, металлографически не выявляется. Таким образом, сплавы в этом интервале концентраций после закалки имеют структуру: a^¢+b+w.

В интервале С_кр^¢¢-С_кр^¢¢¢ после закалки из β-области мартенситное превращение β®α¢ уже не протекает, и структура этих сплавов в закаленном состоянии представлена b - и w-фазами.

Наконец, в сплавах правее С_кр^¢¢¢ при закалке фиксируется высокотемпературная метастабильная b-фаза с о.ц.к. решеткой.

Титановые сплавы с изоморфными β-стабилизаторами отличаются от первой группы тем, что α¢-мартенсит при закалке образуется лишь до концентрации С₂. В интервале концентраций С₂ - Скр^¢¢ высокотемпературная β-фаза превращается в мартенситную α"-фаза с ромбической решеткой. Появление α"- фазы вызывает уменьшение твердости и прочности закаленных сплавов и увеличение их пластичности. α"- фаза, как и α¢-фаза имеет игольчатое строение.

Старение. При последующем старениизакаленных сплавов при 500-600⁰С происходит распад мартенситных α'-, α"-фаз, а также метастабильной β-фазы, что обуславливает их упрочнение. Наибольшее упрочнение после закалки и старения полу­чают сплавы с высоким содержанием β–стабилизаторов.

Химико-термическая обработка. Титановые сплавы имеют низкое сопротивление износу и при использовании в узлах трения подвергаются химико-термической обработке. Для повышения износостойкости титан азотируют при 850—950 °С в течение 30—60 ч в атмосфере азота.Толщина диффузионного слоя в сплавах титана после азотирования при 950 °С в течение 30 ч составляет 0,05—0,15 мм, твердость - 750—900 НV.

Классификация и свойства титановых сплавов

По технологии изготовления титановые сплавы подразделяют на деформируемые и литейные, по уровню прочности - на сплавы низкопрочные(до 500 МПа), средней прочности (500–1000МПа), высокопрочные (более 1000 МПа); жаропрочные, повышенной пластичности.

По способности упрочняться с помощью термической обработки они делятся наупрочняемые и неупрочняемые термической обработкой.

Одним из признаков, по которому деформируемые титановые сплавы разделяют на несколько классов, является фазовый состав после отжига. Различают: α - сплавы, состоящие из твёрдого раствора на основе α - Ti (ГП); псевдо-α-сплавы, которые состоят из α - фазы и небольшого количества β – фазы (ОЦК) (не более 5 %); (α + β) – сплавы; псевдо - β - сплавы (α - фазы не более 5 %); β - сплавы. Последние два класса сплавов имеют ограниченное применение.

Класс сплава или его фазовый состав после отжига, определяется, прежде всего, легированием (табл. 1.1.). В свою очередь фазовый состав влияет на механические и технологические свойства сплавов, определяет их способность к упрочняющей термической обработке.

Однофазные α - сплавы применяют и как жаропрочные, и как сплавы криогенного назначения. Они значительно упрочняются при холодной пластической деформации, не упрочняются при термообработке. Поэтому имеют средний уровень прочности,удовлетворительно свариваются, склонны к водородной хрупкости. Самый распространенный сплав этого класса – сплав марки ВТ5-1(Ti– 5Al – 2,5Sn) (табл. 1.1.) после отжига имеет σ_в = 800–1000 МПа. Сплав жаропрочен до 450ºС, и в то же время сплав считается наилучшим для применения при криогенных температурах вплоть до температуры жидкого водорода.

Таблица 1.1. Химический состав (ГОСТ 19807-91), структура

и механические свойства некоторых сплавов титана

Сплав	Содержание элементов (остальное Ti), %	Струк-тура	Механические свойства
σв	σ0.2	δ %
Al	V	Mo	Про-чие	МПа
ВТ5 ВТ5-1	4.3-6.2 4-6	- -	- -	- 2-3 Sn	α	700-950 750-950	660-850 650-850	10-15 10-15
ОТ4-1 ОТ4 ВТ20	1-2.5 3.5-5 5.5-7.0	- - 0.5-2.3	- - 0.5-1.8	0.7-2Mn 0.8-2 Mn 1.4-2.5 Zr	Псевдо- α	600-750 700-900 950-1150	470-650 550-650 850-1000	20-40 12-20
ВТ6 ВТ14 ВТ16 ВТ22	5.3-6.8 3.5-6.3 1.6-3.8 4.8-5.2	3.5-5.3 0.8-1.9 4.0-5.0 4.5-5.5	- 2.5-3.8 4.5-5.5 4.5-5.5	- - - 0.8-1.2 Cr 0.8-1.2 Fe	(α+β)	1100-1500 1150-1400 1250-1450 1100-1250	1000-1050 1080-1300 1100-1200 -	14-16 6-10 4-6

Псевдо α - сплавы (1 – 5 % β - фазы) могут применяться как сплавы общего назначения, криогенные; жаропрочные, а также как сплавы повышенной технологической пластичности. Сплавы имеют высокую технологическую пластичность; способность к упрочнению при термообработке (отжиг); хорошую свариваемость всеми видами сварки; склонность к водородной хрупкости. Сплавы системы Ti – Al - Mn (ОТ4, ОТ4-1 и др.) высокотехнологичны в холодном и горячем состояниях. Из них получают листы, ленты, полосы, трубы, а также плиты, поковки, прутки и штамповки. Применяются как сплавы общего назначения.

К псевдо α - сплавам относится и самый жаропрочный титановый сплав – ВТ18 (Ti – 6,7Al – 3,2Mo – 1Nb – 4Zr – 2,5Sn – 0,2Si). Высокую жаропрочность, до температуры 600ºС, обеспечивает как присутствие тугоплавких элементов, молибдена и ниобия, так и незначительное содержание β - фазы (которая нестабильна при повышенных температурах). Детали из сплава ВТ-18 применяются в компрессорах авиационных двигателей.

Сплав ВТ20 – в настоящее время является наиболее широко применяемым конструкционным листовым свариваемым титановым сплавом. Его используют в конструкциях планера, а также для изготовления деталей ГТД. Свариваемый титановый сплав ВТ20 широко применен в конструкции планера самолета Су-35 для изготовления деталей и сварных узлов фюзеляжа, центроплана, крыла и киля этого самолета (рисунок 1.3). Для изготовления деталей и узлов используются полуфабрикаты в виде штамповок, прутков, профилей, плит и листов. В самолете Су-35 из сплава ВТ20 применены силовые монолитные и сварные детали и узлы: балки, лонжероны, стрингеры, стыковочные пояса, стенки, кронштейны, фитинги.

Сплав ВТ20 имеет жаропрочность до 450 - 500ºС.

Рисунок 1.3. – Самолет СУ-35

α+β-сплавы имеют наилучшее сочетание механических и технологических свойств: хорошо деформируются в горячем состоянии вследствие присутствия β - фазы; упрочняются при термической обработке; относятся к высокопрочным сплавам; отличаются пониженной склонностью к водородной хрупкости. Наиболее распространённым сплавом этого класса является сплав марки ВТ6(Ti–6Al–V): около 50 % титановых сплавов, используемых в авиакосмической промышленности в России и за рубежом, составляют сплавы – аналоги ВТ6. Он рекомендуется для деталей и узлов вентилятора и компрессора низкого давления (КНД - диски, лопатки, детали статора, кольца, корпусные детали), работающих при температуре до 350°С неограниченно. Сплав имеет σ_в до 1150 МПа, отличается высокой технологичностью, однородностью химического состава, пониженной чувствительностью к концентраторам напряжений, возможностью многоцелевого применения. Металлургические предприятия поставляют полуфабрикаты из сплава ВТ6 в виде катаных прутков, штамповок дисков, раскатных колец, штамповок лопаток, листов.

Многие из α+β - сплавов применяются как жаропрочные в компрессорах авиационных двигателей. Так сплав ВТ14 применяют до до 400ºС, ВТ3-1 – до 400 - 450ºС, ВТ8– до 450 - 500ºС, ВТ9 -до 500ºС. Новые сплавы ВТ8-1, ВТ8М-1, ВТ25У – предназначены для дисков и лопаток компрессора авиационных двигателей и рекомендуются взамен сплавов ВТ3-1, ВТ8, ВТ9, ВТ25 для высокоресурсных силовых установок гражданской и военной авиации. Обладают высоким уровнем жаропрочности, термической стабильности при температурах 450–550°С и низкой чувствительностью к концентраторам напряжений. Сплав ВТ8М-1 предназначен для изготовления лопаток ГТД, в том числе с применением технологии холодного вальцевания, что обеспечивает степень деформации до 45%. Сплавы ВТ8-1 и ВТ25У предназначены для дисков КНД и компрессора высокого давления (КВД) (рисунок 1.4), способны к термическому упрочнению. После закалки и старения прочность сплавов повышается до уровня σ_в=1100–1350 МПа при относительном удлинении δ=6–12%. Применяются в двигателях АИ222-25, ПС-90, НК-83 (самолет Ту-154).

Рисунок 1.4. - Ротор компрессора ГТД

ВТ41 – новый жаропрочный псевдо-β-сплав для дисков и лопаток компрессора высокого давления с рабочей температурой – до 600°С (рисунок 1.5).

Рисунок 1.5- Сопловая и поворотно-сопловая лопатки КВД

Сплав паспортизован для штамповок дисков с пластинчатой микроструктурой и прутковых лопаточных заготовок с регламентированной глобулярно-пластинчатой микроструктурой, рекомендуется взамен сплава ВТ18У. По сравнению со сплавом ВТ18У сплав ВТ41 обладает повышенными прочностью, жаропрочностью и усталостной прочностью в интервале рабочих температур. Свойства полуфабрикатов из сплава ВТ41 в отожженном состоянии:

• штамповки дисков – σ_в=1030–1050 МПа; МЦУ (гладкие образцы): σ=930 МПа (при N=10⁴ цикл; f=50 Гц; R=0,1); σ_в^600°=720–750 МПа; σ₁₀₀^600°=335 МПа;
• прутки – σ_в=1015–1030 МПа; многоцикловая усталость: (гладкие образцы): σ=510 МПа (при N=2·10⁷ цикл; f=50 Гц; R=-1); σ_в^600°=635–665 МПа; σ₁₀₀^600°=265 МПа.

Сплав ВТ41 технологичен в кузнечно-прессовом производстве, что позволяет получать штамповки дисков конструкции «блиск» и штамповки лопаток с регламентированной глобулярно-пластинчатой микроструктурой. Сплав ВТ41 с глобулярно-пластинчатой микроструктурой способен к термическому упрочнению при сохранении удовлетворительных пластических свойств: σ_в=110 МПа при δ=7,5–11%, σ_в^600°=700 МПа, σ₁₀₀^600°=265 МПа.

Сплав ВТ16 позволил создать высокопроизводительный и эффективный технологический процесс изготовления деталей крепления путем холодной высадки. Обеспечивает в 1,5 раза более высокий удельный предел выносливости (по сравнению со сталью 16ХСН) и обладает высокой коррозионной стойкостью.

ВТ23 – высокопрочный свариваемый сплав широкого применения; используется в монолитных, сварных и паяных конструкциях самолетов, ракет и космических аппаратов. Общая масса деталей, изготовленных из сплава ВТ23 для ракетно–космического комплекса «Энергия-Буран» составляет 6 и 14 тонн соответственно. Это шпангоуты, балки, лонжероны и стыковочные узлы (рисунок 1.6). Для этого сплава разработаны технология изготовления разнообразных полуфабрикатов (листов, фольги, ленты, штамповок и поковок) массой до 3,5 т; процессы ВТМО и текстурного упрочнения для изготовления лонжеронов, шпангоутов, балок, силового набора с σ_в=1100 МПа (в зависимости от типа деталей и их ресурса), шаровых баллонов с конструкционой прочностью σ_в.к=1300 МПа. Сплав применяется также в конструкции самолетов Ан-158, Су-31М, Су-29 (рессорные шасси и пружины) и других.

Рисунок 1.6. - Ракетно-космический комплекс «Энергия—Буран».

Т23М – высокопрочный свариваемый сплав с более узким диапазоном легирования, чем у сплава ВТ23, отличается высокой стабильностью и повышенным уровнем механических свойств (σ_в=1150 МПа). Применяется в монолитных, сварных и паяных конструкциях самолетов, ракет и космических аппаратов.

ВТ43 – высокопрочный свариваемый сплав широкого применения; используется в монолитных, сварных и паяных конструкциях самолетов, ракет и космических аппаратов, изготовленных с использованием различных типов полуфабрикатов, в том числе крупногабаритных (сечением до 250 мм), с прочностью σ_в =1200–1300 МПа (рисунок 1.7.).

Рисунок 1.7.- Силовой набор фюзеляжа самолета

ВТ18У(листы) –листовой конструкционный сплав высокотемпературного (до 600°С) применения (σ_в?960 МПа, σ₁₀₀^600°=190 МПа). Предназначен для изготовления обшивки самолетов, ракет и двигателей.

ВТ38 – новый жаропрочный, жаростойкий, пониженной окисляемости сплав с рабочей температурой до 650°С (σ_в = 970 МПа, σ_в^600°=630 МПа, σ_в^650° =530 МПа, σ₁₀₀^600°=240 МПа); предназначен для изготовления обшивки самолетов, ракет и двигателей. Сплав ВТ38 – псевдо-β-сплав системы Ti–Zr–Mo–Sn–Nb, легированный редкоземельным элементом – гадолинием, повышающим жаропрочность.

ВТИ-2 – деформируемый сплав для прутков и штамповок с пределом прочности σ_в>1000 МПа, пластичностью δ>3–4%; σ_в^600°>380 МПа (прутки и штамповки толщиной 25 мм). Из сплава освоено опытное производство слитков, кованых и штампованных заготовок и прутков. Сплав рекомендован для изготовления деталей авиадвигателей (сопловые лопатки, корпуса) с рабочей температурой до 650°С (длительно) и до 700°С (кратковременно). Сплав пожаробезопасен до температуры 700°С.

ВТИ-4 – деформируемый сплав с повышенной технологичностью для листов с пределом прочности σ_в>1150 МПа, пластичностью σ>5%; σ_в^650°>350 МПа. Из сплава освоено производство слитков, кованых и штампованных заготовок, листов (ТУ 1-92-206–2003), а в опытном производстве – лент и фольг с гарантированным уровнем свойств. Сплав рекомендуется для изготовления корпусных, статорных деталей авиадвигателей, облегченных панелей и элементов аэрокосмических конструкций с рабочей температурой до 650°С (длительно) и до 700°С (кратковременно). Сплав пожаробезопасен до температуры 700°С.

Сплав перспективен для использования в качестве матричного материала для интерметаллидных композиционных материалов, упрочняемых волокном карбида кремния, обеспечивающих высокие удельные характеристики: σ/ρ>46 км (усл. ед.); σ₁₀₀^650°/ρ>25 км (усл. ед.).

Использование сплава ВТИ-4 в монолитном варианте обеспечивает снижение массы конструкции до 20% и повышение рабочих температур до 150°С, а применение КМ в аналогичных конструкциях позволит снизит их массу на 45%.

ВИТ-1–наиболее жаропрочный среди деформируемых интерметаллидных сплавов для прутков с пределом прочности σ_в>1250 МПа, пластичностью δ>6%; σ_в^650°>430 МПа (прутки диаметром 25 мм). Из сплава освоено опытное производство слитков, кованых и штампованных заготовок и прутков. Сплав рекомендован для изготовления деталей авиадвигателей (сопловые лопатки) с рабочей температурой до 700°С (длительно). Сплав пожаробезопасен до температуры 700°С.

Использование сплава ВИТ1 в деталях КВД перспективного двигателя позволит снизить их массу на 30%, температуру эксплуатации – на 150–200°С.

Литейные сплавы. Титановые сплавы имеют хорошие литейные свойства вследствие узкого интервала кристаллизации: низкая линейная усадка (менее 1 %), высокая жидкотекучесть, плотность отливок. Трудности при литье заключаются во взаимодействии сплавов со всеми известными формовочными материалами, а также с газами. В связи с этим их отливают вакууме или в нейтральном газе (аргоне).

Для фасонного литья применяют титан и его сплавы, которые по составу почти не отличаются от деформируемых аналогов: ВТ5Л, ВТ14Л, ВТ6Л и др. (буква «Л» означает – литейный сплав).

Наиболее широко используют α - сплав ВТ5Л. Отливки этого сплава имеют удовлетворительные пластичность, ударную вязкость, предел выносливости. Он предназначен для длительной работы при температуре до 400ºС.

Сплав ВТ9Л, как и его деформируемый полуфабрикат ВТ9, применяется как жаропрочный, при этом рабочая температура для литых деталей выше, чем для деформируемых и составляет 550ºС.

Оба эти сплавы имеют прочность от 350 до 920 МПа. Благодаря высокой технологичности широко используются в изделиях химического машиностроения, медицине, а также для изготовления высоконагруженных деталей ответственного назначения (литых корпусов двигателей, турбин, крыльчаток и т. д.).

ВТ6Л – относится к литейным титановым сплавам средней прочности (σ_в=900 МПа). Сплав рекомендуется для литых деталей, длительно работающих при температурах до 400°С. Сплав ВТ6Л является термоупрочняемым, путем термообработки можно повысить прочность сплава до 1050–1100 МПа.

ВТ40Л – высокопрочный экономнолегированный литейный титановый сплав, обладающий повышенной прочностью (σ_в=1050 МПа), высоким пределом выносливости (σ_-1=340 МПа на базе 10⁷ циклов при f=50 Гц) и рекомендуется для применения вместо серийных литейных титановых сплавов ВТ6Л и ВТ20Л в агрегатах и двигателях для изготовления турбинных колес, крыльчаток, корпусов, промежуточных опор, кронштейнов. На рисунке 1.7. показаны отливки из литейных титановых сплавов.

Рисунок 1.8- Отливки из литейных титановых сплавов

Контрольные вопросы

1. Назовите основные физические свойства титана.

2. Какова коррозионная стойкость титановых сплавов?

3. Как можно изменить положение точки полиморфного превращения титана?

4.Назовите основные легирующие элементы для титановых сплавов.

5. Какие метастабильные фазы образуются в титановых сплавах при быстром охлаждении?

6. Какие критические концентрации b-стабилизаторов Вы знаете?

7. Какую термическую обработку проводят для титановых сплавов?

8. Какие изменения вызывает старение в свойствах титановых сплавов и почему?

9. Как классифицируют титановые сплавы по области применению?

10. Как классифицируют титановые сплавы по структуре в отожженом состоянии?

11. Какие классы титановых сплавов находят наибольшее применение в промышленности и почему?

12. Назовите особенности титановых сталей, осложняющие их сварку.

13. Назовите наиболее универсальный по свойствам деформируемый титановый сплав.

14. Назовите наиболее широко используемую марку литейного титанового сплава.

15. Какие титановые сплавы используют для изготовления деталей ГТД?

16. Какой сплав использовали для изготовления ракетно-космиченского комплекса «Энергия –Буран»?

Алюминиевые сплавы

Алюминий не претерпевает полиморфных превращений. Во всем температурном интервале, вплоть до точки плавления (660°С) он имеет кристаллическую гранецентрированную ре­шетку. Наиболее важной особенностью алюминия является низкая плотность 2,7 г/см³.

Алюминий обладает высокой электропроводностью (четвертое место среди металлов – после серебра, меди и золота) - 37,9 мкОм.м, что составляет 66% от электропроводности меди.

Коэффициент теплопроводности алюминия зависит от степени его чистоты. Для технического алюминия (степень чистоты -99,49%) коэффициент теплопроводности, λ составляет 209 Вт/(м.К) при 200⁰С.

Алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью, вслед­ствие образования на его поверхности тонкой прочной пленки А1₂О₃. Чем чище алюминий, тем выше его коррозионная стойкость.

Механические свойства отожженного алюминия высокой чистоты: σ_в = 40-60 МПа, δ = 40- 50 %, твердость 25 HB, модуль нормаль­ной упругости Е = 70 ГПа.

Для технического алюминия σ_в = 80 МПа,σ₀,₂ = 30 МПа, δ = 35 %. Холодная пластическая деформация повышает σ_в технического алюминия до 150 МПа, но снижает относи­тельное удлинение до 6 %. Благодаря высокой пластич­ности в отожженном состоянии алюминий легко обрабатывается давлением, но обработка резанием затруднена. Сваривается всеми видами сварки.

Для элементов конструкции и деталей, не несущих нагрузки, применяется технический алюминий марок АД и АД1, когда требуется высокая пластичность, хорошая свариваемость, сопротивление коррозии и высокая тепло- и электропроводность. Более широко используют сплавы алюминия.

Большинство легирующих элементов, входящих в состав алюминиевых сплавов, обладает ограниченной растворимостью (медь, магний, кремний, марганец, цинк, литий, никель, титан), изменяющейся с температурой. Это сообщает сплавам способность упрочняться термической обработкой.

Деформируемые алюминиевые сплавы разделяют на сплавы, не упрочняемые термической обработкой (с концентрацией легирующих элементов ниже предела растворимости при 20 ⁰С), и сплавы, упрочняемые термической обработкой (имеющие концентрацию легирующих элементов свыше этого предела) (рисунок 2.1.). Кроме того, алюминиевые сплавы классифицируются по технологии изготовления (деформируемые, литейные, порошковые) и свойствам.

Рисунок 2.1- Диаграмма состояния сплавов А1-Cu