ПСЕВДО β-ТИТАНОВЫЙ СПЛАВ ДЛЯ ВЫСОКОНАГРУЖЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ

Егорова Ю.Б.¹, Давыденко Л.В.², Чибисова Е.В.³, Шмырова А.В.⁴

¹ORCID: 0000-0002-3111-9499, профессор, доктор технических наук;

³ORCID: 0000-0002-6201-9984, Ступинский филиал МАИ;

²ORCID: 0000-0002-1175-3409, доцент, кандидат технических наук, Московский политехнический университет;

⁴ORCID: 0000-0002-2269-0482, ПАО «Научно-производственное предприятие «Аэросила»

ПСЕВДО β-ТИТАНОВЫЙ СПЛАВ ДЛЯ ВЫСОКОНАГРУЖЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ

Аннотация

На основе обобщения опубликованных литературных данных проведены статистические исследования температуры полиморфного превращения, фазового состава и механических свойств деформированных полуфабрикатов из титанового сплава Ti-10V-2Fe-3Al. Методом регрессионного анализа получены уравнения для расчёта температуры полиморфного превращения и количества первичной α-фазы после закалки. Установлены статистические взаимосвязи механических свойств, позволяющие оценить возможные комбинации трещиностойкости, прочностных и пластических характеристик.

Ключевые слова: химический состав, механические свойства, термическая обработка, применение сплава Ti-10V-2Fe-3Al (Ti-10-2-3).

 

Yegorova Yu.B.¹, Davydenko L.V.², Chibisova E.V.³, Shmyrova A.V.⁴

¹ORCID: 0000-0002-3111-9499, Professor, PhD in Engineering;

³ORCID: 0000-0002-6201-9984, Stupino branch of MAI;

²ORCID: 0000-0002-1175-3409, Associate professor, PhD in Engineering, Moscow Polytechnic University;

⁴ORCID: 0000-0002-2269-0482, PJSC Research and Development Enterprise, Aerosila

PSEUDO β-TITANIUM ALLOY FOR HIGH-LOADED PARTS OF AERONAUTICAL ENGINEERING

Abstract

Based on the generalization of data, presented in other works, the statistical research of the temperature of polymorphic transformation, phase composition, and mechanical properties of deformed semi-finished products from Ti-10V-2Fe-3Al titanium alloy are carried out. The regression analysis is used to obtain equations for calculating the temperature of the polymorphic transformation and the amount of the primary α-phase after quenching. The statistical interrelations of mechanical properties have been established, they make it possible to evaluate possible combinations of crack resistance, strength and plastic characteristics.

Keywords: chemical composition, mechanical properties, heat treatment, use of Ti-10V-2Fe-3Al (Ti-10-2-3) alloy.

Сплав Ti-10V-2Fe-3Al (сокращенное обозначение Ti-10-2-3) – это высокопрочный псевдо β-титановый сплав, разработанный в 80-х годах прошлого века в США и предназначенный для изготовления высоконагруженных деталей авиационного назначения (конструкций планеров самолетов, шасси, пилонов, дверей, шарниров, цапф, подшипников, деталей вертолетов и др.) [1], [2], [3]. В РФ в начале 2000-х годов было налажено производство различных полуфабрикатов из этого сплава для компании Боинг. В настоящее время из него изготавливают слитки, кованые билеты и более ста шифров штампованных поковок массой от 20 до 3200 кг [4]. Следует отметить, что сплав Ti-10-2-3 в отличие от других титановых сплавов не имеет российских аналогов, поэтому в отечественной научной литературе практически полностью отсутствует какая-либо доступная информация, за исключением самых общих сведений, приведенных в справочниках [1], [2]. Данная статья восполняет, хотя бы частично, этот пробел. В качестве литературных источников были использованы уникальный по объему информации американский справочник [3], труды Международных конференций по титану [5-12], монография [13], справочные издания [1], [2] и некоторые другие источники [14-19].

Цель исследования состояла в обобщении литературных данных и статистическом исследовании фазового состава, температуры полиморфного превращения (ТПП) и механических свойств сплава Ti-10-2-3.

Исходными данными для статистического анализа послужили следующие факторы: содержание легирующих элементов и примесей, температура полиморфного превращения (Т_ПП); температура нагрева под закалку Т_з; количество первичной α-фазы после закалки, механические свойства (условный предел текучести σ_0,2, предел прочности σ_в, относительное удлинение δ, относительное сужение ψ, вязкость разрушения К_1с). Статистические исследования, проведенные с помощью пакета «Statistica», включали в себя первичную статистическую обработку и корреляционно-регрессионный анализ по стандартным методикам [20].

Химический состав сплава по американским спецификациям авиационного назначения AMS приведен в табл. 1. Средние типичные значения интегральных характеристик химического состава: коэффициент β-стабилизации k_β=1,1_, структурные эквиваленты по алюминию =4,0% и молибдену =12,1 [2]. По данным американского справочника [3] температура полиморфного превращения (ТПП) соответствует 790-805^оС. Однако обзор опубликованных работ показывает, что ТПП может изменяться в более широком диапазоне 780 – 840⁰С [9, с. 948-955; 10, с. 529-536; 11, с. 1164-1170, 1187-1194, 1219-1226; 12, с. 443-446, 529-536; 13; 15-17]. Для стабилизации разброса ТПП в пределах партии однотипных слитков необходимо, чтобы величина суммарных колебаний химического состава, эквивалентного алюминию и молибдену, была на уровне не более 2,5 % [21, 22]. Для оценки ТПП можно использовать соотношение:

ТПП = 890 + 22,3Al – 13,9V – 8,0Fe.

Таблица 1 – Химический состав сплава Ti-10-2-3 по спецификациям AMS 4983, AMS 4984, AMS 4986, AMS 4987 [3]

Основные компоненты, % по массе					Примеси (не более, %)
Ti	V	Fe	Al	Y	C	O	N	H	Прочие
Основа	9,0–11,0	1,6–2,2	2,6–3,4	≤0,005	0,05	0,13	0,05	0,015	0,3

Фазовый состав сплава Ti-10-2-3 в равновесном состоянии после простого отжига представлен ~30-40% α-фазы и ~60-70% β-фазы [2, с. 53]. Параметры решётки α-фазы: a = 0,293595 нм, c = 0,467454 нм; β-фазы: a = 0,3238 нм [3]. Сплав обладает высокими технологическими свойствами при обработке давлением. Из него изготавливают различные виды полуфабрикатов: биллеты, плиты, прутки, поковки, которые обычно используют в термически упрочненном состоянии (табл. 2). Для этого применяют закалку, обработку на твердый раствор или β-отжиг, после чего следует старение или перестаривание (табл. 2). Сплав Ti-10-2-3 обладает сквозной прокаливаемостью в деталях толщиной до 125 мм и имеет значительный эффект термического упрочнения.

Таблица 2 – Промышленные режимы термической обработки сплава Ti-10-2-3 [2], [3]

Специфи-кация	Термическая обработка	Закалка			Старение*
		T, °C	t, ч	Охлаждение	T, °C
AMS 4983А	Старение для снятия напряжений	–	–	–	480–510
AMS 4984	Закалка +старение	ТПП – (15÷40)0С	≥0,5	вода	480–510
AMS 4986	Закалка +старение	ТПП– (15÷40)0С	≥0,5	вода	510–540
AMS 4987	Закалка + перестаривание	ТПП – (15÷40)0С	≥0,5	вода	565–620

Примечание: * охлаждение на воздухе, ≥ 8 часов.

При повышении температуры нагрева под закалку количество α-фазы уменьшается и после закалки с температур выше ТПП структура сплава представлена метастабильной β-фазой (с когерентной по отношению к матрице ω-фазой). Количество первичной α-фазы, формирующейся в процессе закалки в интервале температур от 700⁰С до ТПП, можно оценить по соотношению:

n_α = (0,3±0,02)·(ТПП – Т_з), %.

В промышленных условиях применяют нагрев под закалку не до β-области, а до температур α+β-области ниже ТПП на 15-70°C [2, 3], так что фазовый состав после закалки представлен первичной α-фазой и метастабильной β-фазой, а после старения - первичной и вторичной α-фазами и β-фазой равновесного состава.  Количество фаз и прочностные свойства сплава в процессе старения могут как увеличиваться, так и уменьшаться в зависимости от температуры нагрева под закалку, температуры старения и длительности старения. По данным работы [10, с.1147-1154] после закалки (760⁰С, 1ч, вода) и старения (495-520⁰С, 8ч, воздух) фазовый состав сплава представлен 23-28% первичной α-фазы, 41-47% β-фазы и 30-33% вторичной α-фазы. Старение при температурах ниже 475°С не применяют во избежание образования ω-фазы, резко снижающей пластичность. Максимальный эффект упрочнения наблюдается после старения при температурах 480-540°С [3].

Механические свойства поковок после стандартной термической обработки должны соответствовать требованиям, приведенным в табл. 3.

Таблица 3 – Гарантированные механические свойства штампованных поковок сплава Ti-10-2-3 при комнатной температуре [2], [3]

Нормативная документация	σ0,2, МПа	σв, МПа	δ, %	ψ, %	K1C, МПа∙м1/2	Толщина поковки, мм
AMS 4983	1103	1240	4	факульта- тивно	-	<25
AMS 4984	1100	1190	4		44	<75
AMS 4986	1000	1100	6		60	-
AMS 4987	895	965	8		88	-

Комплекс механических свойств сплава Ti-10-2-3 можно варьировать в довольно широких пределах путем термической обработки. По данным, обобщенным в справочнике [2], предел прочности различных полуфабрикатов из сплава Ti-10-2-3 может изменяться от 842 до 1545 МПа, относительное удлинение – от 0 до 38%, поперечное сужение – от 0 до 60%, вязкость разрушения – от 30 до 100 МПа∙м^1/2. Путем закалки и старения можно получить довольно высокий уровень временного сопротивления разрыву (более 1550 МПа). Однако при этом почти полностью утрачиваются пластические свойства, резко падает вязкость разрушения (рис. 1). Поэтому сплав чаще всего применяют в состоянии небольшого перестаривания.

Рис. 1 – Регрессионные взаимосвязи механических свойств сплава  Ti-10V-2Fe-3Al после различной термической обработки

Из полученных данных следует, что увеличение предела прочности на 100 МПа приводит к снижению относительного удлинения на 3%, поперечного сужения на 6%, вязкости разрушения в среднем на 14 МПа·  (табл. 4).  Для оценки надежности конструкций в эксплуатации применяют параметр K_IC/σ_0,2, поэтому вязкость разрушения целесообразно прогнозировать в зависимости от условного предела текучести, а не предела прочности. В этом случае увеличение σ_0,2 на 100 МПа приводит к снижению K_IC  на 8 МПа·.

При уровне прочности σ_в=800 МПа относительное удлинение лежит в интервале 15-35 %, поперечное сужение 30-60%, вязкость разрушения 90-120 МПа·  (рис. 1). При σ_в=1400 МПа эти характеристики снижаются до значений δ=2-7 %, ψ=5-30%, К_IC= 30-50 МПа·.

Таблица 4 – Результаты регрессионного анализа взаимосвязей механических свойств деформированных полуфабрикатов из сплава Ti-10V-2Fe-3Al  после термической обработки

№	Регрессионная модель	R	S	n
1	δ = 43,8 – 0,03∙σ0,2	0,83	4,0 %	132
2	δ = 48,3 – 0,03∙σв	0,8	4,3 %	132
3	ψ = 70,4 – 0,03∙σ0,2	0,39	15,3 %	74
4	ψ= 89,6 – 0,05∙σв	0,46	14,7 %	74
5	σ0,2= -119 + 1,03∙σв	0,94	70 МПа	132
6	K1C = 149,4 – 0,08∙ σ0,2	0,69	17,8 МПа· .	12
7	K1C = 185,3 – 0,11∙σв	0,72	15 МПа· .	27

Примечание: R – коэффициент корреляции, S – статистическая ошибка, n – объем выборки.

На основе проведенных статистических исследований можно оценить возможные комбинации трещиностойкости, прочностных и пластических характеристик деформированных полуфабрикатов после различной термической обработки.

Список литературы / References

1. Кершенбаум В.С. Международная инженерная энциклопедия: Международный транслятор современных сталей и сплавов / под ред. В.С. Кершенбаума. - М.: Наука и техника. 1992. - 650 с.
2. Ильин А.А. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства. Справочник / А.А. Ильин, Б.А. Колачев, И.С. Полькин. - М.: ВИЛС–МАТИ. - 520 с.
3. Boyer R. Materials Properties Handbook. Titanium Alloys. / Еd. by R. Boyer, G. Welsch, E.W. Collings. – OH, USA, ASM International: Materials Park, 1994. – 1176 p.
4. Кондрашов Е.Н. Исследование структуры кристаллизации сплава Ti-10V-2Fe-3Al при ВДП / Е.Н. Кондрашов, М.О. Ледер, К.А. Русаков // Титан. - 2017. - № 1 (55). - С. 22-27.
5. Jaffee R.I. Titanium Science and Technology: Рroceedings of the 2nd International Conference on Titanium / Еd. by R.I. Jaffeе and H.M. Burte. – New York: Plenum Press, 1973. – Vol. 3. – P. 1945-1956, P. 1993-1995.
6. Титан. Металловедение и технология: Труды 3-й международной конференции по титану. – М.: ВИЛС, 1977-1978. - Т. 1 – C. 199-204, C. 281-293, Т.2 – C. 513-524, C. 665-678, C. 697-707.
7. Titanium'80: Science and Technology: Рroceedings of the Fourth International Conference on Titanium. – Kyoto, Japan, May 19-22, 1980. - Vol. 1. – P. 469-475, Vol. 2. – P. 1571-1581.
8. Titanium’84: Science and Technology: Рroceedings of the Fifth International Conference on Titanium. – FRG, Munich, 1984. - Vol. 2. – P. 1261-1267, 1307-1313.
9. Titanium’95: Science and Technology: Рroceedings 8th World Conference on Titanium. – Birmingham, UK, London, 1996. - Vol. 1. – P. 948-955, 1147-1154. - Vol. 2. – P. 1243-1250, 1371-1378.
10. Titanium’99: Science and Technology: Рroceedings 9th World Conference on Titanium. – Saint-Petersburg, Russia, 7-11 July 1999. - Vol. 1. – P. 487-492, 529-536. - Vol. 2. – P. 1164-1170, 1187-1194, 1219-1226. - Vol. 3. – P. 1548-1552.
11. Titanium’2003: Science and Technology: Рroceedings 10th World Conference on Titanium. – Hamburg, Germany, 13-18 July 2003. - Vol. 1. – P. 470-477. - Vol. 2. – P. 1219-1226. - Vol. 3. – P. 1895-1902. - Vol. 4. – P. 2051-2057, 2615-2626, 2643-2653, 2713-2717. - Vol. 5. – P. 3059-3066.
12. Titanium’2007: Science and Technology: Рroceedings 11th World Conference on Titanium. – Kyoto, Japan, 3-7 June 2007. - Vol. 1. – P. 95-98, 443-446, 529-536, 571-575. - Vol. 2. – P. 929-932, 1255-1262, 1295-1300.
13. Natraj Y. Heattreatment-Microstructure and Tensile behavior of Ti-10V-3Fe-3Al / Y. Natraj, N. Rao GVS, TK Nandy // Germany, Saarbrucken: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. - 2011. – 54 p.
14. Rosenberg H.W. Ti-10V-2Fe-3Al: A forging alloy development / H.W. Rosenberg // Proceedings of the Metal Society Conference on Forging and Properties of Aerospace Materials, The Metals Society, London. - 1978. - P. 279-299.
15. Duerig T.W. Shape memory in Ti-10V-2Fe-3Al / T.W. Duerig, D.F. Richter, J. Albrecht // Scripta Metallurgica. - 1982. - Vol. 16, - P. 957-961.
16. Zhongquan D. Study on optimizing Isothermal Forging Technological parameters of Ti-10V-2Fe-3Al by Way of Computer Programme / D. Zhongquan, C. Yuxiu, W. Gaochao, W. Yimin // Advanced Technology of Plasticity. - 1990. - Vol. 1, - P. 279-283.
17. Boyer R.R. Processing Properties relationships of Ti-10V-2Fe-3Al / R.R. Boyer, G.W. Kuhlman // Metallurgical Transactions A. - 1987. - Vol. 18. - Issue 12. - P. 2095–2103.
18. Toyama K. The Effect of Heat Treatment on the Mechanical Properties of Ti-10V-2Fe-3Al / K. Toyama, T. Maeda // Transactions Iron and Steel Institute of Japan. - 1986. - Vol. 26. - P. 814-821.
19. Göken J. Strain-dependent damping of Ti–10V–2Fe–3Al at room temperature / J. Göken, S. Fayed, P. Skubisz // Acta Physica Polonica A. - 2016. - Vol. 130. - No. 6. - P. 1352–1357.
20. Кулаичев А.П. Методы и средства комплексного анализа данных / А.П. Кулаичев. – М: ФОРУМ: ИНФРА-М. – 512 с.
21. Егорова Ю.Б. Прогнозирование температуры полиморфного превращения промышленных слитков титановых сплавов по их химическому составу / Ю.Б. Егорова, Л.В. Давыденко, Е.В. Чибисова, С.Б. Белова // Электрометаллургия. - 2016. - №12. - С. 7-15.
22. Егорова Ю.Б. Исследование стабильности температуры полиморфного превращения промышленных слитков титановых сплавов / Ю.Б. Егорова, Л.В. Давыденко, И.М. Мамонов // Международный научно-исследовательский журнал International Research Journal. - 2016. - №5(47). - Ч. 3. - С. 92-94.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Kershenbaum V.S. Mezhdunarodnaja inzhenernaja jenciklopedija: Mezhdunarodnyj transljator sovremennyh stalej i splavov [International Engineering Encyclopedia: International translator of modern steels and alloys] / ed. by. V.S. Kershenbaum. - M.: Nauka i tehnika. 1992. - 650 p. [in Russian]
2. Il'in A.A. Titanovye splavy. Sostav, struktura, svojstva. Spravochnik [Titanium alloys. Composition, structure, properties. Directory] / A.A. Il'in, B.A. Kolachev, I.S. Pol'kin. - M.: VILS–MATI. 2009. - 520 p. [in Russian]
3. Boyer R. Materials Properties Handbook. Titanium Alloys. / Еd. by R. Boyer, G. Welsch, E.W. Collings. – OH, USA, ASM International: Materials Park, 1994. – 1176 p.
4. Kondrashov E.N. Issledovanie struktury kristallizacii splava Ti-10V-2Fe-3Al pri VDP [Investigation of the crystallization structure of the Ti-10V-2Fe-3Al alloy at the VAR] / E.N. Kondrashov, M.O. Leder, K.A. Rusakov // Titan [Titanium]. - 2017. - № 1 (55). - P. 22-27. [in Russian]
5. Jaffee R.I. Titanium Science and Technology: Рroceedings of the 2nd International Conference on Titanium / Еd. by R.I. Jaffeе and H.M. Burte. – New York: Plenum Press, 1973. – Vol. 3. – P. 1945-1956, P. 1993-1995.
6. Metallovedenie i tehnologija: Trudy 3-j mezhdunarodnoj konferencii po titanu [Titanium. Metal Science and Technology: Proceedings of the 3rd International Conference on Titanium] – M.: VILS, 1977-1978. Vol. 1 – P. 199-204, P. 281-293, - Vol.2 – P. 513-524, P. 665-678, P. 697-707. [in Russian]
7. Titanium'80: Science and Technology: Рroceedings of the Fourth International Conference on Titanium. – Kyoto, Japan, May 19-22, 1980. - Vol. 1. – P. 469-475, Vol. 2. – P. 1571-1581.
8. Titanium’84: Science and Technology: Рroceedings of the Fifth International Conference on Titanium. – FRG, Munich, 1984. - Vol. 2. – P. 1261-1267, 1307-1313.
9. Titanium’95: Science and Technology: Рroceedings 8th World Conference on Titanium. – Birmingham, UK, London, 1996. - Vol. 1. – P. 948-955, 1147-1154. - Vol. 2. – P. 1243-1250, 1371-1378.
10. Titanium’99: Science and Technology: Рroceedings 9th World Conference on Titanium. – Saint-Petersburg, Russia, 7-11 July 1999. - Vol. 1. – P. 487-492, 529-536. - Vol. 2. – P. 1164-1170, 1187-1194, 1219-1226. - Vol. 3. – P. 1548-1552.
11. Titanium’2003: Science and Technology: Рroceedings 10th World Conference on Titanium. – Hamburg, Germany, 13-18 July 2003. - Vol. 1. – P. 470-477. - Vol. 2. – P. 1219-1226. - Vol. 3. – P. 1895-1902. - Vol. 4. – P. 2051-2057, 2615-2626, 2643-2653, 2713-2717. - Vol. 5. – P. 3059-3066.
12. Titanium’2007: Science and Technology: Рroceedings 11th World Conference on Titanium. – Kyoto, Japan, 3-7 June 2007. - Vol. 1. – P. 95-98, 443-446, 529-536, 571-575. - Vol. 2. – P. 929-932, 1255-1262, 1295-1300.
13. Natraj Y. Heattreatment-Microstructure and Tensile behavior of Ti-10V-3Fe-3Al / Y. Natraj, N. Rao GVS, TK Nandy // Germany, Saarbrucken: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. - 2011. – 54 p.
14. Rosenberg H.W. Ti-10V-2Fe-3Al: A forging alloy development / H.W. Rosenberg // Proceedings of the Metal Society Conference on Forging and Properties of Aerospace Materials, The Metals Society, London. - 1978. - P. 279-299.
15. Duerig T.W. Shape memory in Ti-10V-2Fe-3Al / T.W. Duerig, D.F. Richter, J. Albrecht // Scripta Metallurgica. - 1982. - Vol. 16, - P. 957-961.
16. Zhongquan D. Study on optimizing Isothermal Forging Technological parameters of Ti-10V-2Fe-3Al by Way of Computer Programme / D. Zhongquan, C. Yuxiu, W. Gaochao, W. Yimin // Advanced Technology of Plasticity. - 1990. - Vol. 1, - P. 279-283.
17. Boyer R.R. Processing Properties relationships of Ti-10V-2Fe-3Al / R.R. Boyer, G.W. Kuhlman // Metallurgical Transactions A. - 1987. - Vol. 18. - Issue 12. - P. 2095–2103.
18. Toyama K. The Effect of Heat Treatment on the Mechanical Properties of Ti-10V-2Fe-3Al / K. Toyama, T. Maeda // Transactions Iron and Steel Institute of Japan. - 1986. - Vol. 26. - P. 814-821.
19. Göken J. Strain-dependent damping of Ti–10V–2Fe–3Al at room temperature / J. Göken, S. Fayed, P. Skubisz // Acta Physica Polonica A. - 2016. - Vol. 130. - No. 6. - P. 1352–1357.
20. Kulaichev A.P. Metody i sredstva kompleksnogo analiza dannyh [Methods and means of complex data analysis] / A.P. Kulaichev. – M: FORUM: INFRA-M. 2006. – 512 p. [in Russian]
21. Egorova Ju.B. Prognozirovanie temperatury polimorfnogo prevrashhenija promyshlennyh slitkov titanovyh splavov po ih himicheskomu sostavu [Forecasting the beta transus temperature of industrial ingots of titanium alloys by their chemical composition] / Ju.B. Egorova, L.V. Davydenko, E.V. Chibisova, S.B. Belova // Jelektrometallurgija [Electrometallurgy]. - 2016. - №12. - P. 7-15. [in Russian]
22. Egorova Ju.B. Issledovanie stabil'nosti temperatury polimorfnogo prevrashhenija promyshlennyh slitkov titanovyh splavov [Investigation of the beta transus temperature stability of industrial ingots of titanium alloys] / Ju.B. Egorova, L.V. Davydenko, I.M. Mamonov // International Research Journal. - 2016. - №5(47). - Ch. 3. - S. 92-94. [in Russian]