Какие системы из титановых сплавов используются в аэрокосмической отрасли?

Разработка титановых сплавов началась в авиационной отрасли и развивалась в соответствии с потребностями отрасли в более лёгких, прочных и устойчивых к высоким температурам конструкциях. Титановые системы, используемые в аэрокосмической отрасли, можно разделить на четыре группы: высокопрочные и высокоударные сплавы, высокотемпературные сплавы, огнестойкие сплавы и композитные материалы на титановой основе.

Титановые сплавы с высокой прочностью и высокой вязкостью

Сплавы с пределом прочности более 1000 МПа и вязкостью разрушения более 55 МПа·м^1/2 здесь, как правило, рассматриваются как титановые сплавы с высокой прочностью и вязкостью. Основной системой является Ti-Al-Mo-V-Cr. Сплав Ti-1023 использовался в шасси самолета Boeing 777 и в опорах основного шасси A380; Timetal 555 применялся в шасси и балках тележек самолёта Boeing 777. Российский сплав BT22 использовался в крупных несущих элементах планера и шасси таких самолётов, как Су-27 и Ил-76.

В составе Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al для стабилизации бета-фазы используются Mo, V и Cr. Увеличение содержания этих добавок позволяет повысить пластичность; после термообработки предел прочности при растяжении может достигать 1100–1200 МПа. После растворительной обработки сплав обладает хорошей формуемостью в холодном состоянии, а после растворительной обработки и старения — оптимальным соотношением прочности и пластичности. Ti-5Mo-5V-2Cr-3Al содержит меньше Cr, а содержание стабилизаторов бета-фазы близко к критической концентрации, что позволяет сочетать в себе характеристики альфа-бета- и метастабильных бета-сплавов. После термообработки предел прочности на разрыв может достигать 1110 МПа, а удельная пластичность — 70,5 МПа·м^1/2 взрывостойкость конструкций для аэрокосмической отрасли.

Высокотемпературные титановые сплавы

Высокотемпературные титановые сплавы являются важнейшими материалами для авиационных двигателей. Ti-6Al-4V, первый широко используемый сплав, работает при температурах около 300–350 °C и сочетает в себе прочность при высоких температурах, пластичность, ударную вязкость, формуемость и биосовместимость. Более поздние сплавы, такие как IMI550, BT3-1 и IMI685, позволили повысить прочность на разрыв и ползучесть, а также увеличить рабочую температуру до 400 °C. Добавление кремния и разработка сплавов Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si привели к появлению сплавов IMI834, Ti-1100, BT36 и других, прочность которых частично повышена за счёт альфа-фазы₂. Температура IMI834, широко используемого в Великобритании и в двигателях Trent 700, достигает около 600 °C.

Типичные сплавы США

Типичные британские сплавы

Типичные российские и китайские сплавы

При температурах ниже 600 °C эти сплавы могут превосходить конструкционную сталь, алюминий и никелевые суперсплавы по удельной прочности, удельной прочности на ползучесть и удельной усталостной прочности. Замена никеля на титан при одинаковой прочности и эксплуатационных характеристиках позволяет снизить массу примерно в 1,7 раза. Двигатели с высоким соотношением тяги к массе также требуют использования блисков, блингсов, сварных конструкций, Ti₂AlNb, TiAl и титановые композиты, армированные волокном.

При скорости 6 Махов температура поверхности самолета может превышать 650 °C, что повышает требования к термостойкости обшивки, каркаса, двигателей и других узлов планера. Поэтому при разработке основное внимание уделяется сопротивлению ползучести, ресурсу до разрушения, усталостной прочности, термодинамической устойчивости, стойкости к окислению и коррозии под воздействием термических нагрузок.

Температура длительной эксплуатации повысилась с примерно 350 °C для Ti-6Al-4V до примерно 600 °C. Эта величина часто рассматривается как термический барьер для традиционных титановых сплавов, в связи с чем за его пределами важное значение приобретают TiAl и титановые композиты, армированные волокнами карбида кремния. Согласно опубликованным данным, концепции сплавов для 650 °C предусматривают добавление Hf, Nb и Ta в системы Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si. Добавление редкоземельных элементов должно оставаться ниже 0,1 ат.%%; более значительные добавки требуют применения методов порошковой металлургии с быстрым затвердеванием. Для получения полностью ламеллярной структуры требуется бета-термообработка.

Титановые сплавы, стойкие к горению

В настоящее время на долю титана приходится примерно одна треть конструктивной массы многих современных газотурбинных двигателей, однако обычные сплавы могут воспламеняться при определённом сочетании температуры, давления, воздушного потока и трения. Процесс горения может прогрессировать от локального возгорания на конце лопатки или заднего края до прогорания корпуса на 360° всего за 4–20 секунд.

Огнестойкие сплавы обладают устойчивостью к возгоранию или распространению пламени. Сплав C (Ti-35V-15Cr) используется в лопастях статора компрессора высокого давления двигателя F119, внутренних кольцах и заслонках сопла. В сплаве C+ добавлены Si и C для повышения сопротивления ползучести. Ti40 (Ti-25V-15Cr-0,2Si) предназначен для длительной эксплуатации при температуре около 500 °C, но теряет сопротивление ползучести при температуре выше 510 °C, поэтому температура не должна превышать 520 °C. TF550, созданный на основе Ti-35V-15Cr-Si-C, имеет плотность 5,33 г/см³ а также удовлетворительные характеристики ползучести и разрушения при температуре 550 °C.

Системы Ti-V-Cr

V и Cr могут образовывать плотный защитный оксид до окисления, снижать выделение тепла за счет летучих продуктов, понижать температуру плавления и улучшать распределение тепла. Сплав C представляет собой бета-сплав с номинальным составом 50Ti-35V-15Cr и плотностью около 5,34 г/см³. Сплав C+ представляет собой Ti-35V-15Cr-0,6Si-0,05C. Эти системы по-прежнему остаются дорогостоящими, их сложно плавить, и они не обладают высокой теплопроводностью при температурах ниже температуры плавления; теплопроводность Ti40 повышается лишь в два-три раза вблизи температуры плавления или выше, поэтому одной лишь быстрой теплоотдачей невозможно объяснить их огнестойкость.

Системы Ti-Al-Cu

Сплавы титана и меди образуют низкоплавкий титан₂Медь плавится при температуре около 990 °C. При плавлении поглощается тепло, а смазка жидким металлом снижает трение и выделение тепла. Российский сплав БТТ-1 (Ti-13Cu-4Al-4Mo-2Zr) работает при температурах до примерно 450 °C и хорошо поддается горячей штамповке сложных деталей. Сплав BTT-3 (Ti-18Cu-2Al-2Mo) обладает лучшей пластичностью и термостойкостью и подходит для производства листов и фольги, однако оба сплава имеют ограниченную вязкость, легко растрескиваются и могут давать усадку при плавлении.

Системы Ti-Nb

Промышленный Ti-45Nb применяется в автоклавах. В ходе испытаний на самовоспламенение при растяжении в условиях перегрузки он не загорелся в чистом кислороде при температуре 250 °C и давлении 3,1 МПа, а также продемонстрировал хорошую коррозионную стойкость, хотя его высокая плотность ограничивает возможности применения.

Интерметаллиды TiAl

Интерметаллиды TiAl сочетают в себе низкую плотность, высокий модуль упругости, стойкость к окислению и огнестойкость; по имеющимся данным, максимальная рабочая температура достигает 1040 °C, однако хрупкость при комнатной температуре затрудняет их обработку. Система Ti-Al включает Ti₃Al, TiAl и TiAl₃. В диапазоне температур от 700 до 850 °C TiAl обладает более высокой удельной прочностью, чем традиционные титановые и никелевые суперсплавы, а также удельной жесткостью, превышающей удельные показатели обычных конструкционных материалов для двигателей примерно на 50%.

Лопатки из материала Gamma-TiAl, разработанные компанией GE, заменили лопатки из никелевого суперсплава в 6-й и 7-й ступенях турбины низкого давления GEnx на самолете Boeing 787, что позволило снизить массу на целых 72,5 кг. Материал Nb-TiAl также применяется в автомобильных турбокомпрессорах и в настоящее время разрабатывается для конструкций, работающих при температурах 700–900 °C.

Композитные материалы с титановой матрицей

В композитных материалах с титановой матрицей, армированных непрерывными волокнами SiC, используются волокна SiC с вольфрамовым или углеродным сердечником в титановых или TiAl-матрицах. Они сочетают в себе высокие удельные прочность и жёсткость, низкую плотность, сопротивление ползучести и усталостной прочность, а также способность работать при температурах 600–800 °C в течение длительного времени и кратковременно при 1000 °C. Кольцо с интегрированными лопастками позволяет снизить массу компрессора примерно на 70% по сравнению с отдельными лопастками и диском.

SiC_f/Ти является анизотропным материалом: прочность на растяжение в продольном направлении может превышать прочность матрицы более чем в два раза, тогда как прочность в поперечном направлении может составлять лишь половину прочности матрицы. Это подходит для деталей, подвергающихся направленным нагрузкам, таких как турбинные валы, тяги, поршневые штоки, обшивки и пружины.

При горячем изостатическом прессовании или вакуумном горячем прессовании необходимо контролировать реакцию на границе раздела фаз, уплотнение проволоки-прекурсора и диффузионную сварку с корпусом. На конечные характеристики влияют свойства волокон, покрытия, качество прекурсора, способ укладки, формовка и механическая обработка. SiC с матрицей из Ti-1100_f/По имеющимся данным, температура Ti-блингов достигла 700–800 °C при снижении массы конструкции примерно на 50%.

Перспективы

Будущие аэрокосмические системы должны обладать более высокой прочностью, вязкостью, устойчивостью к повреждениям, термостойкостью, стойкостью к окислению, а также более низкой стоимостью. К числу приоритетных направлений относятся: сплавы, устойчивые к повреждениям; конструкционные сплавы, устойчивые к усталостным разрушениям; передовые материалы на основе TiAl; а также композиты с титановой матрицей, получаемые методами быстрого затвердевания, порошковой металлургии или армирования волокнами и частицами.

Разработка композитных материалов по-прежнему требует повышения стабильности, получения статистически достоверных данных о свойствах, определения характеристик блинга, прогнозирования отказов и срока службы, неразрушающего контроля на микроуровне, контроля концентричности в процессе производства, критериев проектирования, методов аттестации, стабильных партий волокон и матриц, высокотемпературных покрытий, повышения эффективности производства, а также разработки технических требований к компонентам.