Text
                    ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ
«ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ИНСТИТУТ АВИАЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ»
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
АВИАЦИОННЫЕ
МАТЕРИАЛЫ
ИЗБРАННЫЕ ТРУДЫ
1932-2002
ЮБИЛЕЙНЫЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ СБОРНИК
Под общей редакцией
члена-корреспондента РАН, профессора Е. Н. Каблова
МОСКВА
•МИСИС» «ВИАМ»
2002


Уда 629.7:620.22 J\ ^ У I—-—J АВИАЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ. ИЗБРАННЫЕ ТРУДЫ «ВИАМ» 1932-2002. Юбилейный научно-технический сборник. Под общей редакцией чл.-кор. РАН Е. Н. Каблова В сборнике, посвященном 70-летию крупнейшего материаловедческого центра «ВИАМ», представлены достижения института по созданию материалов и их широкое применение в авиакосмической технике как следствие органической связи глубоких фундаментальных исследований природы материалов, концентрационного и термодинамического равновесия фаз, дислокационной кинетики, морфологии и синтеза с созданием новейших технологий. Особое внимание уделено жаропрочным сплавам для ГТД; высокопрочным алюминиевым и алюминийлитиевым сплавам; жаропрочным и интерметаллидным титановым сплавам; полимерным и металлическим композиционным материалам; высокотемпературным покрытиям для защиты от окисления, эрозии и коррозии, а также полимерным неметаллическим материалам многофункционального назначения и методам неразрушающего контроля. Приведено описание комплексного решения задачи получения рабочей охлаждаемой лопатки турбины ГТД, технологии литья лопатки с проникающей транспирационной системой охлаждения. Представлены методы и виды испытаний и оборудования для определения прочности и ресурсных характерстик материалов; дана оценка работоспособности материалов в условиях заданного ресурса. Изложена система паспортизации и сертификации материалов как гарантия их качества. Предназначен для специалистов - материаловедов, конструкторов, научных и инженерно-технических работников авиакосмической, а также машиностроительной, металлургической и др. отраслей промышленности. РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ Главный редактор - чл.-кор. РАН Е.Н. Каблов Заместители главного редактора - акад. РАН И. Н. Фридляндер, чл.-кор. РАН Р. Е. Шалин, докт. техн. наук, проф. И. Е. Ковалев, докт. техн. наук, проф. Б, В, Перов, В. Г. Дворяшин, В. А, Турченков Ответственный секретарь - Е. А. Аграфенина Докт. техн. наук А, В. Гриневич, канд. техн. наук И.М.Демонис, канд. техн. наук А.Д. Жирное, канд. техн. наук В.Н. Кириллов, акад. РАН С. Т. Кишкин, докт. техн. наук, проф. Э. К Кондратов, докт. техн. наук Б. С. Ломбере, докт. техн. наук В. И. Лукин, докт. техн. наук В. Т. Минаков, докт. техн. наук С. А, Мубояджян, докт. техн. наук А. Ф. Петраков, докт. техн. наук, проф. Н. М. Скляров, докт. техн. наук, проф. С С Солнцев Заказное издание ©ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский ISBN 5-87623-108-$ _ институт авиационных материалов», 2002 ^■^^<2-3~^^
СОДЕРЖАНИЕ Предисловие. Глава 1. ВИАМ - НАУЧНЫЙ ЦЕНТР АВИАЦИОННОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ Ю.С. Осипов. Вклад ВИАМ в фундаментальную науку о материалах 11 И. И. Клебанов. ВИАМ — крупнейший центр материаловедческой науки 15 Ю.Н. Коптев. Роль ВИАМ в создании материалов для космической техники 19 Е.Н Каблов. Авиационное материаловедение в XXI веке. Перспективы и задачи 23 Глава 2. ЛИТЕЙНЫЕ ЖАРОПРОЧНЫЕ СПЛАВЫ И ПОКРЫТИЯ ДЛЯ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ЛОПАТОК ГТД С ТРАНСПИРАЦИОННЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ С.Т. Кишкин, Е.Н. Каблов. Литейные жаропрочные сплавы для турбинных лопаток 48 Е.Н. Каблов, И.М. Демонис. Перспективные технологические процессы литья лопаток ГТД 58 Е.Н. Каблов, С.А. Мубояджян. Защитные покрытия лопаток турбин ГТД 70 Глава 3, ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ЖАРОПРОЧНЫЕ И ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ГОРЯЧЕГО ТРАКТА ГТД Б. С. Ломбере, С. А. Моисеев. Жаропрочные деформируемые сплавы для современных и перспективных ГТД 82 Е.Н. Каблов, В.П. Бунтушкин. Интерметаллидные никелевые сплавы и их применение в ГТД 93 3
Глава 4. ВЫСОКОПРОЧНЫЕ, ЖАРОПРОЧНЫЕ И ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫЕ ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ В.Н. Моисеев. Роль ВИАМ в создании первого отечественного летательного аппарата из титана 100 В. Г. Анташев, Н.А. Ночовная, Т. В. Павлова, Н.М. Падюкова, В.И. Иванов. Жаропрочные титановые сплавы 111 В.Н. Моисеев. Высокопрочные титановые сплавы для авиакосмической техники 115 Глава 5. ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ЗАЩИТНЫЕ И АНТИОКИСЛИТЕЛЬНЫЕ ПОКРЫТИЯ, А ТАКЖЕ УГЛЕ-, СТЕКЛОКЕРАМИ- ЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ РАБОТЫ ПРИ ТЕМПЕРАТУРЕ ВЫШЕ 1800°С B. Т. Минаков, С. С. Солнцев. Керамоматричные композиты — материалы XXI века 122 Е.Н. Каблов, С. С. Солнцев. Окситермосинтез — новый шаг к материалам для перспективной авиакосмической техники 131 C. С. Солнцев, В. А. Розененкова, Н.В. Исаева, В. В. Швагирева. Применение стеклокерамических материалов и покрытий в авиакосмической технике 137 Глава 6. ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРОИЗВОДСТВА И ПЕРЕРАБОТКИ АВИАЦИОННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ Е.И. Разуваев. Современные технологии обработки металлов давлением 151 В. В. Сидоров. Прогрессивные металлургические процессы получения шихтовых заготовок из литейных жаропрочных сплавов 156 Н.В. Горбань, Е.И. Разуваев, В.А. Шарыпин, О.Г. Сенаторова, Л. Б. Хохлатова, Е. Ф. Волкова. Пневмоформовка листовых материалов в состоянии сверхпластичности 160 В.И. Лукин, Л.И. Сорокин, В.Е. Лазько. Пути повышения свойств сварных соединений авиационных конструкций 166 Глава 7. ВЫСОКОПРОЧНЫЕ КОРРОЗИОННОСТОЙКИЕ СТАЛИ И МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ПРИБОРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ А. Ф. Петраков, А. Б. Шалькевич. Высокопрочные стали в авиастроении 180 Е.Н. Каблов, В.П. Пискорский, Л.А. Брук. Постоянные магниты из сплавов Nd—Fe—В 191 4
Глава 8. АЛЮМИНИЕВЫЕ И МАГНИЕВЫЕ СПЛАВЫ, КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ИХ ОСНОВЕ. АНТИКОРРОЗИОННАЯ ЗАЩИТА МАТЕРИАЛОВ И КОНСТРУКЦИЙ И.Н. Фридляндер. Высокопрочные, жаропрочные и коррозионностойкие алюминиевые и магниевые сплавы, композиционные материалы на их основе 198 А. Д. Жирное, Э.К. Кондратов. Противокоррозионная защита материалов и элементов конструкций пассажирских самолетов 220 Глава 9. ВЫСОКОПРОЧНЫЕ И ВЫСОКОМОДУЛЬНЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ АВИАЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ, ЭКСПЛУАТИРУЮЩИХСЯ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ТЕМПЕРАТУР Г.М. Гуняев, Е.Н. Каблов. Конструкционные углепластики на рубеже веков Г. П. Машинская, Б. В. Перов, Р.Е. Шалин. Органопластики многоцелевого назначения для авиационной техники .242 .247 Глава 10. КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ДЕКОРАТИВНО-ОТДЕЛОЧНЫЕ ТЕРМОПЛАСТИЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИНТЕРЬЕРА САМОЛЕТА Е.Г. Сурнин, Э.К Кондратов. Пожаробезопасные декоративно- отделочные материалы 271 Б. В. Перов, Е.Г. Сурнин. Термопластичные полимерные материалы многофункционального назначения 281 Глава 11. КОНСТРУКЦИОННЫЕ, РАДИОПРОЗРАЧНЫЕ И РАДИОПОГЛОЩАЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ И ПОКРЫТИЯ. ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРОИЗВОДСТВА И ПЕРЕРАБОТКИ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ А В. Фомин, В. П. Ракитина, Н.С. Кавун. Стеклопластики конструкционного назначения 291 Н.С. Кавун, Э.К. Кондратов. Материалы радиотехнического назначения 300 Г. И. Шокин, Л. П. Кобец. Совершенствование технологических процессов производства полуфабрикатов и изделий из ПКМ 308 5
Глава 12. КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ТЕПЛОСТОЙКИЕ КЛЕИ, КЛЕЕВЫЕ ПРЕПРЕГИ, ГЕРМЕТИКИ, РЕЗИНЫ Л. И. Аниховская, В. Т. Минаков. Клеи и клеевые препреги для перспективных изделий авиакосмической техники 315 А.А. Донской, В. В. Костельцев. Герметики и резины, работающие в воздушной и топливной среде 326 Глава 13, ЛАКОКРАСОЧНЫЕ, ТЕПЛОЗАЩИТНЫЕ И ТЕПЛО- ЗВУКОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ Э.К. Кондратов. Лакокрасочные покрытия со специальными свойствами 339 В. Т. Минаков, В.Е. Грушко, А. А. Донской. Тепло- и огнезащитные материалы и покрытия 345 В. Г. Набатов, В. В. Кузьмин, А. В. Кучменко. Теплоизоляционные материалы 354 Глава 14. СВЯЗУЮЩИЕ ДЛЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ ПКМ, Л КМ, КЛЕЕВ, ГЕРМЕТИКОВ, ВЫСОКОТЕРМОСТОЙКИХ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ И ТЕПЛОЗВУКОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В. Г. Минаков, Н.И. Швец. Модифицированные кремний- органические полимеры для теплостойких композиционных материалов 362 В. И. Сидоренко, Т. В. Панина, Ю.Е. Раскин, В. Т. Минаков. Теоретические и практические основы получения высокотермостойких полимерных матриц для ПКМ конструкционного назначения 376 Глава 15. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ: РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ, СРЕДСТВ И ТЕХНОЛОГИЙ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ Г. А. Морозов, А. К. Денель. Высокая разрешающая способность и надежность — основа разработок средств неразрушающего контроля в авиации 389 Е.Р. Голубовский. Методы испытаний и исследований: оценка работоспособности и ресурса авиационных материалов 402 Глава 16. ПАСПОРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ АВИАЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В.Ф. Беренсон, Ю.Н. Шевченко, А. С. Компанией,. Паспортизация и сертификация авиационных материалов — гарантия их качества 409 6
ПРЕДИСЛОВИЕ Сборник посвящен 70-летнему юбилею ВИАМ. В нем подводятся итоги авиационного материаловедения XX века и передается эстафета XXI веку. Трудами ученых ВИАМ было создано авиационное материаловедение, научные школы: физики металлов, жаропрочных сплавов, высокопрочных алюминиевых сплавов, титановых сплавов, коррозии и защиты металлов, авиационной брони, точного и монокристаллического литья, композиционных материалов, многофункциональных полимеров, конструкционных клеев и др. Сборник наглядно отражает семидесятилетний вклад ВИАМ в создание материальной базы авиационной техники. Авиация получила 2000 марок высококачественных материалов. 96% «летающей массы» авиационных конструкций изготовлено из материалов, созданных в ВИАМ. Кроме того, эти материалы широко и эффективно используются в высокоответственных отраслях техники - космической, атомной, а также во многих других отраслях народного хозяйства (автомобильной, химической, медицине и др.). Разработанные в ВИАМ материалы вышли на уровень мировых стандартов и по многим позициям их превосходят. За 70 лет уровень основного показателя качества авиационных материалов повышен во много раз. Стали и алюминиевые сплавы довоенных времен имели удельную прочность 15 усл. ед. (км). В конце столетия эта характеристика для композиционных материалов достигла уровня 150 усл. ед. (км). Диапазон рабочих температур был расширен для металлических сплавов в три раза (с 400 до 1200°С), а для композиционных, керамических, углеродных материалов достиг 1800°С. В орбиту изысканий новых материалов вовлечены 52 элемента Периодической системы Д. М. Менделеева, в 30-е годы использовались только 12. Радикально возрос ресурс жаропрочных сплавов: с 25-50 до 5000-10000 ч. Принципиально изменились критерии качества, особенно надежности. Разработана концепция безопасной повреждаемости, вве- 7
дены вероятностные методы оценки качества. Особо эффективную реализацию принцип безопасной повреждаемости нашел в разрабатываемых ВИАМ материалах с пониженной трещиностойкостью: углепластиках, органопласти- ках, металлополимерных, гибридных материалах, а также в адаптивных и интеллектуальных материалах, обеспечивающих удвоение весовой эффективности и ресурса. В работах, представленных в сборнике, нашли достойное отражение технологические проблемы. Изначально ВИАМ был призван не только разрабатывать материалы, но и нести ответственность за их производство и применение. Долгие годы, до организации ВИЛС и соответствующих подразделений в технологических институтах, ВИАМ проводил весь объем изысканий в области технологических процессов по производству материалов. Созданный им задел технологических разработок был развит далее в ВИЛС и на заводах-поставщиках. Общая ответственность за качество материалов, их применение в конструкциях и рекомендации по эксплуатации все 70 лет оставалась за ВИАМ. ВИАМ разработал всю основную исходную документацию по технологии производства и применению авиаматериалов. Была создана система управления качеством авиаматериалов - СУПРАКАМ, четко организована паспортизация, заложившая объективную базу контроля качества авиационных материалов, разработаны первые формы их сертификации. Высокий уровень работоспособности авиаматериалов, их надежность обеспечивались также всесторонним изучением их поведения при эксплуатации в условиях действия коррозионных факторов и агрессивных сред (глубокого вакуума, радиационного повреждения, высокоэнергетических потоков и т.п.). В юбилейном сборнике нашли свое отражение эти исследования, а также изыскания по созданию коррозионно- стойких сплавов. Материалы сборника обобщают радикальное изменение структуры потребления материалов авиатехникой. В годы Великой Отечественной войны более 80% конструкций истребителей состояли из древесины и тканей, масса металлических сплавов не превышала 20%; самолеты конца XX века на 85% состоят из металлических сплавов. 8
В решение задач обеспечения надежности и контроля органически включены методы неразрушающего контроля. Уже с первых дней работы ВИАМ были развернуты изыскания эффективных методов магнитного, рентгеноскопического, ультразвукового контроля, в дальнейшем дополненных пе- нетрационными, электронно-параметрическими, лазерными, тепловизорными, радиационными и другими методами. Трудами ученых ВИАМ было достигнуто не только радикальное изменение структуры потребления материалов авиатехникой - в итоге их творческих усилий возникла новая парадигма авиационного материаловедения. Материалы конца века стали сложной конструкцией, спроектированной на основе термодинамического и концентрационного равновесия фаз, управления морфологией структуры, дислокационной кинетикой, с использованием вместо монометаллической матрицы - интерметаллической, а вместо металлической связи - химической (с энергией активации на порядок выше). Авиаматериал - уже не вещество заданного состава (дефиниция, бытовавшая многие века), но тетрада: конструкция* +состав+структура+технологическое решение. Металловедение окончательно покинуло колыбель описательной металлографии. Статьи сборника убедительно свидетельствуют, что создание современных авиационных материалов в рамках новой парадигмы было возможно только путем органичного синтеза глубоких фундаментальных исследований и практических разработок, соединения теории и экспериментов. Именно фундаментальность изысканий ВИАМ обеспечила эффективную отдачу и успешное внедрение научных достижений и создала мощный научно-технический задел для решения задачи федеральной программы развития гражданской авиации к 2015 г., конкурентоспособной с вновь разрабатываемой зарубежной авиационной техникой. Задел обеспечивает требуемые решением этой ответственной государственной задачи - повышение весовой эффективности на 20-25%, доведение календарного ресурса до 30 лет, при высоком уровне характеристик надежности и других показателей (шумопоглощение, экономичность, технологичность и т.д.). Научный уровень статей сборника свидетельствует о сохранении учеными ВИАМ высокого творческого потенциала. Проведенная Генеральным директором 9
ВИАМ Е.Н. Кабловым реструктуризация института создает благоприятную обстановку и обеспечивает эффективность работы в условиях рыночной экономики, позволяет соединить многолетний опыт работы в минувшем столетии с реалиями нового века. В сборнике отражены достижения последних лет - работы, составившие базу партнерских и деловых отношений с крупными зарубежными фирмами («Боинг», «Дженерал Электрик», «Эрбас Индастри» и др.). Расширяющееся сотрудничество упрочняет авторитет ВИАМ, ставшего Государственным научным центром, методически связанным как с РАН, так и с научными и деловыми кругами за рубежом. Заслуженный деятель науки и техники РФ, докт. техн. наук, профессор Н. М. Скляров
Глава 1 ВИАМ - НАУЧНЫЙ ЦЕНТР АВИАЦИОННОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ УДК 629.7: 620.22 Ю.С. Осипов Президент Российской Академии наук ВКЛАД ВИАМ В ФУНДАМЕНТАЛЬНУЮ НАУКУ О МАТЕРИАЛАХ Государственный научный центр «Всероссийский институт авиационных материалов» — признанный в стране лидер авиационного материаловедения, широко известный и за рубежом. Это действительно уникальный научный центр, наша гордость. В 2002 г. мы отмечаем 70-летний юбилей института. Практически все летательные аппараты — будь то авиация или космос — созданы из материалов, разработанных в этом институте. За время своего существования институтом создано более 2000 различных металлических и неметаллических материалов, нашедших в разные годы применение в самой требовательной к качеству и служебным свойствам изделий отрасли промышленности, какой является авиация. Для обеспечения высоких требований, предъявляемых к авиационным материалам, потребовались огромная творческая работа по проведению поисковых и фундаментальных исследований; научно-исследовательские работы по созданию конкретного материала, как правило, с заданными (конструкторами и про- 11
ГЛАВА 1 мышленностью) параметрами; разработка оптимальной технологии производства каждого материала, освоение его в промышленности, изготовляющей и потребляющей этот материал. Наконец, последним этапом создания материала является его сертификация — с этого момента вся полнота ответственности за применение материала в авиационной промышленности за все время эксплуатации авиакосмических изделий лежит на разработчике. Я не случайно начал с поиска и фундаментальных исследований, — чтобы материал соответствовал и отвечал всем требованиям, предъявляемым к авиационным материалам, необходимо опираться на глубокое изучение природы самого материала, а также закономерностей его поведения в зависимости от действующих нагрузок, влияния окружающей среды, ресурса и т.п. Для того чтобы найти резервы повышения комплекса свойств, необходимо разработать высокие технологии, обеспечивающие их реализацию непосредственно в конструкции, в детали или полуфабрикате, при этом исследователю, разработчику материала, приходится принимать, как правило, оптимальное компромиссное решение, ориентируясь на наиболее важные в каждом конкретном случае свойства материала. Для этого необходимо проводить исследования природы материала, выяснять суть происходящих в нем процессов на уровне макро- и микроструктур — фазовых превращений, диффузии атомов легирующих элементов, движения дислокаций, изучать саму дислокационную структуру. С ростом требований к материалам по мере развития авиации существенно расширяется комплекс расчетных характеристик материалов. В зависимости от условий эксплуатации (уровня действующих напряжений, геометрии детали, запаса упругой энергии конструкции, влияния внешней среды) необходимо изучить и знать весь комплекс показателей прочности, выносливости, чувствительности к надрезу, сопротивления образованию усталостной трещины, скорости ее роста, вязкости разрушения, остаточной прочности при наличии трещины и еще многих других характеристик, чтобы, с одной стороны, разработать материал с оптимальным сочетанием требуемых свойств, помня, что ни один из известных материлов не обладает всеми максимально полезными и высокими характеристиками, и, с другой — всесторонне оценить качество материала и его пригодность для того назначения и области применения, куда он рекомендован. Это хорошо иллюстрирует исследование кинетики развития коротких трещин, проведенное школой прочности института, возглавляемой Н.М. Скляровым и СИ. Кишкиной, и связанное с этим определение 12
ВИАМ - НАУЧНЫЙ ЦЕНТР АВИАЦИОННОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ несущей способности элементов конструкции. Установлено, что усталостные трещины размером до 1—2 мм во многих случаях приводят к потере несущей способности элементов конструкции. Для обеспечения гарантированного уровня надежности и ресурса при определении принципов проектирования элементов конструкции, конструкторам необходимо было знать: — подчиняется ли кинетика роста коротких трещин тому же закону, что и рост длинных трещин; — при какой длине трещины происходит переход механизма разрушения от сдвигового к нормальному отрыву; — связан ли этот переход с природой материала, его структурой; — при каких размерах малая трещина прорастает как магистральная. Ответить на эти вопросы было возможно, проведя фундаментальные работы по глубокому изучению характера усталостного разрушения материалов разного типа: алюминиевых сплавов, сталей. Изучение множества факторов, от которых зависит образование главной трещины и вторичных трещин, морфологии структур и скорости развития трещин, установление количественных показателей, определяющих остаточную прочность, закономерностей кинетики роста трещин у материалов разных типов — все эти исследования позволили сформировать общие выводы и рекомендации для конструкторов. Естественно, проведение подобных исследований под силу только научной организации высшей квалификации. Поэтому в стране, да и в мире так ценятся широко известные труды ученых ВИАМ в области прочности материалов: докторов технических наук Н. Н. Давиденкова, Я. Б. Фридмана, Н. М. Склярова, С. И. Кишкиной, Е. Р. Голубовского и др. Крупные теоретические работы проводятся в ВИАМ под руководством академика СТ. Кишкина и члена-корреспондента РАН Е.Н. Каблова — они возглавляют научную школу по созданию жаропрочных никелевых сплавов для газотурбинных двигателей. Учеными, работающими в этом направлении, были сформулированы задачи количественных теоретических критериев влияния легирующих элементов на термодинамические свойства и энергетические характеристики межатомной связи жаропрочных никелевых сплавов. Эти фундаментальные, теоретические работы позволили понять причины изменения свойств и принципы их регулирования в жаропрочных сплавах при изменении состава и режимов термической обработки, а установление корреляции между экспериментальными и рассчитанными характеристиками механических свойств ускорило процесс создания новейших жаропрочных сплавов с максимальным 13
ГЛАВА 1 уровнем свойств, в том числе и жаропрочных ренийсодержащих сплавов нового поколения. Чрезвычайно важным направлением в работе ВИАМ является разработка, совершенствование, развитие эффективных методов исследований, например, для тех же жаропрочных сплавов, длительно работающих при высоких температурах. Недостаточно обеспечить оптимальную структуру - важно, чтобы она не претерпевала изменений в процессе эксплуатации. Кинетика изменений, вызывающих потерю структурной стабильности, определяется диффузионными процессами — необходимо глубокое изучение локальных диффузионных процессов и состояния поверхностей раздела, а также распределения и концентрации микропримесей, как вредных так и полезных, в микроструктуре сплава. Именно поэтому ВИАМ стал одним из инициаторов применения и развития изотопного (авторадиографического) метода для изучения процессов, протекающих на границах фаз, субструктур, распределения примесей на поверхностях раздела. Кроме того, в исследованиях ВИАМ широко применялись, дополнялись и совершенствовались такие методы, как фазовый анализ, теп- лофизические испытания, исследование материалов не только в статических условиях, но и в динамике. Все это позволяло и позволяет создавать материалы на самом высоком научно-техническом уровне, не уступающем зарубежному уровню, а порой и превосходящем его. Нужно отметить очень тесные творческие контакты, которые всегда имел ВИАМ с институтами Академии наук, — такими как «Институт металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова», «Институт обшей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова», «Институт химии силикатов им. И. В. Гребенщикова», «Институт химии высокочистых веществ», «Институт нефтехимического синтеза им. А. В. Топчиева», «Институт синтетических полимерных материалов», «Институт химической физики» (г. Черноголовка) и другими. Многие ведущие ученые ВИАМ являлись и являются членами научных советов при отделениях РАН: академики СТ. Кишкин, И.Н. Фридляндер; члены-корреспонденты А.Т. Туманов, Р. С. Амбарцумян, Е. Н. Каблов, Р. Е. Шалин; доктора технических наук Н. М. Скляров, Б. В. Перов, Э.К. Кондратов, С. С. Солнцев, Г.М. Гу- няев, Н.С. Лезнов и др. В настоящее время Президиумом РАН принято решение о введении ВИАМ под научно-методическое руководство отделения физикохимии и технологии неорганических материалов. Это решение знаменательно в плане возможности более широкого и полного использования фундаментальных научных разработок академических институтов для решения впол- 14
ВИАМ - НАУЧНЫЙ ЦЕНТР АВИАЦИОННОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ не конкретных задач по созданию новых типов и классов материалов для нужд авиационной и космической техники и кроме того — ускоряет использование научных разработок непосредственно в промышленности, помогает реализовать тесную связь ВИАМ как головного отраслевого института с производственными предприятиями и конструкторскими бюро. Это действительно плодотворное сотрудничество отраслевой и академической науки, направленное на поднятие экономического потенциала страны в целом. Поздравляя коллектив Государственного научного центра «Всероссийский институт авиационных материалов» со славным юбилеем, можно уверенно сказать, что ВИАМ был и остается уникальным материаловедческим центром России, которому по силам решать самые сложные многотрудные задачи обеспечения приоритетных отраслей промышленности: авиации, космоса, машиностроения — прогрессивными материалами и высокими технологиями для сохранения высочайшего уровня техники, ее конкурентоспособности, укрепления обороноспособности страны. УДК 629.7:620.22 И. И. Клебанов Вице-премьер правительства РФ ВИАМ - КРУПНЕЙШИЙ ЦЕНТР МАТЕРИАЛОВЕДЧЕСКОЙ НАУКИ Есть очень немного научных институтов, которые безоговорочно являются признанными лидерами, головными по своему направлению, — их достижения и творческая работа на протяжении многих десятков лет подтверждают высокий авторитет и имидж в науке как у нас в стране, так и за рубежом. Именно таким признанным центром материаловедения у нас в стране является ВИАМ — Государственный научный центр, роль и значение которого для развития отечественного авиастроения трудно переоценить. Образованный в 1932 году, институт рос и развивался вместе с отечественной и мировой авиацией, обеспечивая ее новейшими материалами с характеристиками, отвечающими требованиям авиационной промышленности. С самого начала отличительной чертой научной деятельности ВИАМ была не просто разработка отдельного материала конструкционного или функционального назначения, а создание всего 15
ГЛАВА 1 *«>>j»»>j»> Jp материального облика летательного аппарата, когда при определении свойств разрабатываемых материалов учитывались главные параметры для самолета — ресурс, надежность, весовая эффективность. Стиль работы института выделял его, подтверждая лидерство в отечественном, прежде всего авиационном, материаловедении, — кроме создания материалов для новейших образцов авиационной техники, институт вместе с другими научными и промышленными предприятиями и ОКБ принимал активное участие в освоении материалов в производстве, не ограничиваясь рекомендациями по их применению, - в том числе в изготовлении на заводах—поставщиках опытных партий, в организации серийного производства новых материалов по высоким технологиям, обеспечивая требуемое высокое качество полуфабрикатов и деталей авиационного назначения. При этом для выпуска новых материалов, без которых было невозможно создание новейшей техники, по инициативе ВИАМ принималось правительственное решение по строительству новых заводов или специализированных цехов. Так были созданы Западно-Сибирский металлургический завод по выпуску прецизионных сплавов для приборов и агрегатов, цеха вакуумной выплавки на заводе «Электросталь» и Челябинском металлургическом комбинате для производства высококачественных жаропрочных и конструкционных сталей и сплавов. При активном участии ВИАМ создавалось титановое производство на Верхне-Салдинском металлургическом комбинате и т.д. Безусловно, решая столь крупные и ответственные задачи государственного значения, институт нес всю ответственность за создание материалов, отвечающих всем кондициям авиационного применения, а также за организацию производства таких материалов для обеспечения нужд отечественной авиационной промышленности. В этом заключаются особая уникальность института, высокая квалификация его ведущих кадров и вклад института в развитие материаловедения и производства материалов для авиации. Сегодня мы с благодарностью вспоминаем ученых института с мировым именем и ведущих специалистов, которые работали или работают в настоящее время в этом коллективе. Это И. И. Сидорин, Г. А. Акимов, А.Т. Туманов, Р.С. Амбарцумян, СТ. Кишкин, И.Н. Фридляндер, Н.М. Скляров, С. Г. Глазунов, Е. Н. Каблов, Р. Е. Шалин, Б. В. Пе- ров, Б.С. Ломберг, СИ. Кишкина, Д.А. Кардашов, Э.К. Кондрашов, A. Ф. Петраков, В. Т. Минаков, В. Н. Моисеев, С С. Солнцев, Я. Д. Ав- расин, В. В. Павлов, Б. А. Киселев, Г. М. Гуняев, Г. П. Машинская, B. И. Лукин и др. Конечно, в короткой статье невозможно перечислить 16
ВИДМ - НАУЧНЫЙ ЦЕНТР АВИАЦИОННОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ всех, кто своим самоотверженным трудом, знаниями, высокой ответственностью к порученному делу определял уровень отечественной ма- териаловедческой науки и продолжает успешно работать над главной задачей института — обеспечение авиационной техники прогрессивными материалами, высокими технологиями. Велик вклад института в успешные военные действия в период Великой Отечественной войны. Война потребовала коренным образом изменить работу института, значительно сократить сроки разработок. Например, необходимо было защитить наши истребители, штурмовики, бомбардировщики от поражения огневыми средствами врага. Так в кратчайшие сроки родилась знаменитая броня, разработанная учеными института СТ. Кишкиным, Н.М. Скляровым. «Одетый» в нее штурмовик Ил-2 стал практически неуязвим для противника, наводя страх и панику на фашистские войска. Протестированные баки также способствовали повышению надежности, боевой устойчивости авиационной техники, специальные материалы для наплавки клапанов поршневых двигателей дали возможность увеличить их мощность, а значит повысить скорость и маневренность боевой авиационной техники. При активном участии специалистов ВИАМ осваивались новые металлургические базы на Урале, которые обеспечивали потребности авиации в металлургических полуфабрикатах. За вклад института в обороноспособность страны во время Великой Отечественной войны он был награжден Орденом Ленина. После войны начался новый качественный этап в развитии авиации — создание реактивной авиационной техники. От института потребовались новые материалы для принципиально новой техники. Для планера самолета — это высокопрочные алюминиевые сплавы, новые высокопрочные стали, а также герметики, лакокрасочные материалы; впервые начали разрабатываться и применяться титановые сплавы. Особенно сложные материаловедческие задачи пришлось решать по обеспечению газотурбинных двигателей новыми жаропрочными сплавами. Здесь все было впервые, приходилось выполнять огромный объем исследовательской работы и испытаний, проводить сложные натурные и полунатурные эксперименты, для того чтобы разработанные материалы отвечали всем требованиям новой реактивной техники и обеспечивали необходимый ресурс, надежность и высокую весовую отдачу. И с этой сложнейшей работой коллектив института успешно справился. Наши отечественные материалы практически не уступали лучшим зарубежным образцам. Страна не нуждалась в импорте материалов и не имела зависимости от зарубежных поставок. 2 — 5961 17
ГЛАВА 1 ««*■> 3» >^>» Период с конца 1970-х до 1990-х годов для авиационной промышленности ознаменовался необычайно активным развитием. Создавалось новое поколение самолетов, вертолетов и двигателей для гражданской авиации: Ту-204 — ближнемагистральный самолет, Ил-96 — дальнемаги- стральный широкофюзеляжный, после модернизации поступил в эксплуатацию широкофюзеляжный Ил-86. В ОКБ O.K. Антонова было начато производство транспортного самолета Ан-70, в КБ А. И. Микояна, П. А. Сухого создавались новейшие образцы высокоманевренных ударных истребителей, и, наконец, в НПО «Молния» под руководством Г. Е. Ло- зино-Лозинского началось строительство первого многоразового космического корабля «Буран». Параллельно шло создание нового поколения двигателей для гражданской авиации (ПС-90, НК-93, Д-36), модернизировались двигатели для МиГ-29, Су-27, вертолетов. Для обеспечения высоких летно-технических характеристик новых самолетов, вертолетов и двигателей к ним перед институтом были поставлены задачи в рамках целевых комплексных программ — в установленные сроки «выйти» на заранее заданные характеристики материалов. Были созданы десятки новых металлических и неметаллических конструкционных, функциональных и многофункциональных материалов, которые на длительный период определили материальный облик отечественной техники. Постановлением Правительства институту как признанному лидеру в области материаловедения был присвоен статус Государственного научного центра. Этот Статус явился официальным признанием ведущей роли ВИАМ в области создания и освоения материалов для нужд не только авиакосмической техники, но и других отраслей промышленности — машиностроения, энергетики, химии и т.д. Вместе с тем этот период (1990—1996 гг.) был особенно тяжелым для авиации и экономики страны в целом, так как совпал с распадом СССР, когда многие сырьевые базы отошли в страны ближнего зарубежья, резко сократилось производство авиатехники, и работы института стали маловостребованы. В этот период во главе института стал член-корреспондент РАН, профессор Е. Н. Каблов. Благодаря энергичным действиям Генерального директора, руководства института и ведущих специалистов удалось в короткие сроки перестроить работу ВИАМ, ликвидировать долги, резко (в десятки раз) увеличить объем договорных работ и тем самыим компенсировать уменьшение бюджетного финансирования. В настоящее время ВИАМ — это устойчиво работающее научное предприятие, не имеющее долгов и с каждым годом увеличивающее объем научно-исследовательских работ как фундаментального, так и прикладного 18
ВИДМ - НАУЧНЫЙ ЦЕНТР АВИАЦИОННОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ значения. ВИАМ активно работает с десятками крупных иностранных фирм, решая при этом не только финансовые вопросы, но и укрепляя свой имидж как Государственного научного центра международного значения. В день замечательного юбилея поздравляю коллектив института с праздником и желаю дальнейших творческих успехов на благо нашей Родины. Август 2001г. УДК 629.7:620.22 Ю. Н. Коптев Директор Российского авиационно-космического агентства, профессор РОЛЬ ВИАМ В СОЗДАНИИ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ В этом году отмечается 70-летие со дня образования одного из самых крупных и известных материаловедческих центров страны — Государственного научного центра «Всероссийский институт авиационных материалов». За время своего существования трудом и талантом ученых, сотрудников института создано и освоено в производстве более 2000 самых различных металлических и неметаллических материалов. Летательные аппараты практически полностью (на -96%) состоят из материалов ВИАМ. Вся история развития института неразрывно связана с историей развития отечественного авиастроения. Сегодня, поздравляя коллектив института с замечательным юбилеем, мы по достоинству оцениваем большие заслуги ВИАМ в деле разработки и промышленного освоения авиационных материалов, определяющих материальный облик авиационной техники всех поколений, — при этом материалы ВИАМ, как правило, не уступают по своим служебным характеристикам лучшим зарубежным образцам. Нет необходимости говорить, сколь важна и значима роль материалов в космической технике. Необходимы не только рекордно высокие характеристики, определяющие весовое совершенство космических изделий, но и их устойчивость, стабильность свойств при воздействии различных факторов в условиях космоса: облучение солнечной радиацией, космическими лучами; перепад температур; испарение; сублимация в космическом вакууме, а также неповреждаемость материалов обшивки при столкновении с мелкими метеоритными частицами и т.д. 2* 19
ГЛАВА 1 **m~' JF" ЧЯг^ w^JKSP J& "W Отмечающий свой 70-летний юбилей, ВИАМ как головной институт по созданию материалов для авиационной промышленности был для космической промышленности на протяжении всей истории ее существования основным разработчиком самых лучших, самых совершенных материалов. Применение в космических изделиях материалов, разработанных в ВИАМ, обеспечивало выполнение самых высоких требований и, как показала многолетняя практика, было успешным. Комплекс требований, предъявляемых к космическим кораблям, аппаратам, двигателям, в которых применялись материалы ВИАМ, полностью выполнялся и соответствовал условиям эксплуатации, гарантируя безопасность полета. На протяжении десятков лет ВИАМ тесно и творчески сотрудничал со многими предприятиями ракетно-космической промышленности в области разработки материалов и технологий. Известно, что в структуре потребления материалов для космических аппаратов, спутников, носителей доля алюминиевых и магниевых сплавов составляет 50%, сталей 23%, жаропрочных сплавов 10%, титановых сплавов 2%, неметаллических материалов 15%. Существенная часть (70%) всех применяемых материалов разработана в ВИАМ. В ракетных двигателях, например в двигателе РД-180 (ОАО НПО «Энергомаш»), доля материалов ВИАМ еще выше, -80%. Особенно большой вклад внес ВИАМ в создание материалов для «Бурана». Так, для многоразового космического корабля необходима была теплозащита от аэродинамического нагрева несущей алюминиевой конструкции (обшивки) — кварцевая плитка (с теплостойкостью до 1250 °С, минимальной теплопроводностью, минимальной плотностью -0,14 г/см3, прочностью не менее 200 Па (2 гс/см2)) со специальными покрытиями: гидрофобным (от влагопоглощения); эрозионностойким (с определенным заранее заданным коэффициентом черноты), а также со специальными теплостойкими клеями и демпфирующими прокладками из фетра. Представляется, что только ВИАМ был в состоянии решить эту сложнейшую материаловедческую задачу, и она была успешно решена учеными института — применение этих материалов на «Буране» показало их эффективность и полное соответствие заданным характеристикам. Очень серьезные работы были проведены по созданию композиционных материалов, в первую очередь углепластиков и органопластиков, отличающихся чрезвычайно высоким уровнем свойств. Впервые в отечественной практике створки отсека полезного груза (размером 3x6 м) были изготовлены из углепластика. Особенно следует отметить высокую квалификацию и авторитет ученых ВИАМ — они принимали участие в решении вопросов по вы- 20
ВИАМ - НАУЧНЫЙ ЦЕНТР АВИАЦИОННОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ бору материалов, возможности их совместного применения при определении материального облика того или иного объекта космической техники, когда необходимо учитывать сложнейший комплекс механического и электрохимического взаимодействия материалов при эксплуатации конкретного изделия, а также при соединении элементов конструкции методами сварки, пайки, склеивания, клепки и т.д. Сегодня, оглядываясь назад, на годы ответственной, сложнейшей творческой работы, с глубокой благодарностью вспоминаем ведущих ученых, специалистов института, внесших неоценимый вклад в создание отечественной космонавтики. Это старшее поколение: член-корреспондент РАН А. Т. Туманов; академик РАН С. Т. Кишкин; академик РАН И. Н. Фридляндер; член-корреспондент РАН Р. Е. Шалин; профессор, докт. техн. наук С. Г. Глазунов; профессор, докт. техн. наук Н. М. Скляров; профессор, докт. техн. наук Б. В. Перов; профессор, докт. техн. наук Я. М. Потак; профессор, докт. техн. наук М. Ф. Алексеенко; профессор, докт. техн. наук Ф.Ф. Химушин; профессор, докт. техн. наук И.Ф. Колобнев; профессор, докт. техн. наук В. П. Батраков; профессор, докт. техн. наук Б. А. Киселев и многие-многие другие. Последующее поколение - член-корреспондент РАН, профессор Е. Н. Каблов; профессор, докт. техн. наук Э. К. Кондратов; докт. техн. наук В. Н. Грибков; докт. техн. наук В. Т. Минаков; докт. техн. наук Б. С. Ломберг; канд. техн. наук В. П. Батизат; докт. техн. наук В. И. Лукин; канд. техн. наук В. М. Степанов; профессор, докт. техн. наук Г. М. Гуняев; профессор, докт. техн. наук Г. П. Машинская; профессор, докт. техн. наук С. С. Солнцев; канд. техн. наук В. А. Засыпкин; профессор, докт. техн. наук А. И. Хо- рев; докт. техн. наук В. Н. Моисеев и многие другие. Празднование юбилея — это не только воспоминание о прошлых славных делах и событиях, но, в первую очередь подведение итогов и постановка новых перспективных задач. Для нового поколения космической техники, например системы «МАКС», необходимы новые, гораздо более совершенные материалы, с более высоким комплексом физико-механических свойств. Это новые алюминиевые, конструкционные сплавы, в том числе свариваемые, с повышенными характеристиками надежности, стойкости к сублимации в условиях глубокого вакуума; композиционные материалы с широким спектром армирующих наполнителей и связующих. Из алюминиевых сплавов следует выделить новый перспективный алюминийлитиевый сплав 1460 для конструкций баков с криогенным и углеводородным топливом. Для обшивки космических аппаратов актуаль- 21
ГЛАВА 1 -«»> *s» >Jfr> *S> ным является усовершенствование сверхпрочного сплава В96ЦЗ с прочностью до 620—660 МПа. Из композиционных материалов особый интерес представляет высокотемпературный конструкционный углепластик для изготовления агрегатов при рабочей температуре до 400 °С, высокомодульный углепластик для отдельных узлов агрегатов планера с рабочей температурой до 180 °С. Особо следует выделить работы по созданию композиционных материалов на основе термопластов, учитывая их несомненные преимущества перед материалами на термореактивных связующих. В области титановых сплавов перспективны разработки новых сплавов, в том числе на основе интерметаллидов, с использованием новых механизмов упрочнения, реализацией высокой вязкости разрушения и трещиностойкости, а также с применением средств комплексной защиты от коррозионного, эрозионного и температурного воздействия. В качестве высокопрочного свариваемого титанового сплава для изготовления высоконагруженных деталей и конструкций, включая сварные, необходимо дальнейшее совершенствование сплава ВТ23К и его модификаций с получением крупногабаритных полуфабрикатов: плит (20—160)х 1400x6000 мм, поковок массой до 3,5 т, крупных профилей, штамповок. Для листовых штампосварных высокопрочных конструкций, работающих при температуре до 350 °С, следует развивать работы по освоению титанового р-сплава ВТ35 — высокотехнологичного и высокопрочного. Для изготовления сотовых паяных конструкций необходим сплав с низкой степенью нагартовки при холодной прокатке, позволяющий совмещать процессы пайки и термообработки. Требуется листовой жаропрочный свариваемый сплав для обшивки сотовых конструкций, длительно работающей при температуре до 600 °С. Крупной материаловедческой проблемой для космической техники являются также разработка новых полимерных материалов (теплозащитные керамические и волокнистые материалы; системы защитных покрытий, лакокрасочные, герметизирующие и резинотехнические материалы; клеи и материалы на их основе) и создание экологически чистых прогрессивных процессов и технологий их изготовления. При создании новых материалов должна быть предусмотрена возможность ремонта, в том числе в процессе эксплуатации и в глубоком вакууме. И еще одну проблему следует выделить — это разработка новых методов неразрушающего контроля материалов и покрытий, в том числе термографических методов и методов на основе токов высокой частоты 22
ВИДМ - НАУЧНЫЙ ЦЕНТР АВИАЦИОННОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ с широким использованием встроенных средств диагностики и бортовых автоматизированных систем контроля за состоянием конструкций, а также испытание на совместимость материалов в различных средах. Это лишь некоторые проблемы в области материаловедения, решение которых, несомненно, будет способствовать дальнейшему техническому прогрессу в таких приоритетных областях промышленности, какими являются авиация и космос. Для реализации этих сложнейших материаловедческих задач, которые нашли свое отражение в Федеральных программах «Национальная технологическая база России» и «Развитие гражданской авиационной техники до 2015 года», потребуются полная мобилизация всего творческого потенциала коллектива института, высокая организация работ в новых условиях рыночной экономики. Сегодня с удовлетворением можно отметить, что благодаря усилиям нового руководства ВИАМ (Генеральный директор Е. Н. Каблов) институт работает стабильно, устойчиво, успешно решая многие задачи, в том числе финансовые и экономические. Отсутствие долгов, задолженностей по зарплате определяет здоровый творческий климат в институте и создает все необходимые предпосылки для плодотворной научно-производственной деятельности. Поэтому высоким патриотическим долгом коллектива ВИАМ является дальнейшее совершенствование своей работы, умножение творческого научно-технического потенциала, развитие современных форм работы с институтами, конструкторскими бюро и промышленными предприятиями для достижения постоянного роста технического прогресса в авиакосмической промышленности. г „ г , УДК 629.7:620.22 Е.Н. Каблов АВИАЦИОННОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ В XXI ВЕКЕ. ПЕРСПЕКТИВЫ И ЗАДАЧИ Роль и значение ВИАМ как общепризнанного в мире и у нас в стране научного центра материаловедения, вклад его научного коллектива в фундаментальные знания о природе материалов, закономерностях их поведения в жестких условиях эксплуатации авиационной техники и воздействий внешней среды, сути происходящих в материалах физико- химических явлений и структурных превращений, в создание более 2000 23
ГЛАВА 1 «g»^> ЗВ» 1!&* $£*&' *& марок новых авиационных материалов, пионерских методов исследований — всесторонне отражены в настоящем юбилейном издании, посвященном 70-летию института. Для более глубокого раскрытия роли ВИАМ как научного центра уместно напомнить, что за эти годы в институте были созданы научные школы, получившие признание мировой научной общественности, которые и явились основой, позволившей создать разнообразные материалы и технологии, используемые не только для авиационной техники, но и для других отраслей машиностроения и народного хозяйства нашей страны. Назовем важнейшие из этих школ и их создателей: — физики металлов — академик АН СССР и РАН СТ. Кишкин; — прочности и конструктивной работоспособности авиационных материалов — академик АН СССР и РАН СТ. Кишкин, докт. техн. наук Н. М. Скляров; — коррозии и защиты — член-корреспондент АН СССР В. Г. Акимов, докт. техн. наук В. П. Батраков; — высокопрочных и специальных алюминиевых сплавов — академик АН СССР и РАН И.Н. Фридляндер; — литейных жаропрочных сплавов — академик АН СССР и РАН СТ. Кишкин; — высокоградиентного и монокристаллического литья — член-корреспондент РАН Р. Е. Шалин, член-корреспондент РАН Е. Н. Каблов; — титановых сплавов — докт. техн. наук С. Г. Глазунов; — деформируемых жаропрочных сплавов — докт. техн. наук Ф. Ф. Химушин, докт. техн. наук Б. С Ломберг; — полимерных и металлических композиционных материалов — член-корреспондент АН СССР А. Т. Туманов, член-корреспондент РАН Р. Е. Шалин, докт. техн. наук К. И. Портной, докт. техн. наук Б. В. Пе- ров, докт. техн. наук Г. М. Гуняев; — органического остекления — докт. техн. наук Б. В. Перов, докт. техн. наук М. М. Гудимов. Именно на основе получаемых фундаментальных знаний создавался и продолжает создаваться научно-технический задел, в котором главными направлениями определены работы в области исследования физико-химического взаимодействия компонентов в металлических и неметаллических материалах; поиска новых принципов и систем легирования высокотемпературных композиций, в том числе способов управления структурным и фазовым состоянием различных систем; совершенствования и 24
ВИДМ - НАУЧНЫЙ ЦЕНТР АВИАЦИОННОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ разработки новых технологий, в частности литья жаропрочных сплавов; создания высокотемпературных металлических и термостойких неметаллических, керамических композиционных материалов; разработки новых жаропрочных сплавов, конструкционных сталей, алюминиевых, титановых и других сплавов с повышенными эксплуатационными свойствами. Материаловедение — одна из наукоемких сфер народного хозяйства, успешно конкурирующая на мировом рынке в настоящее время, и бесспорно останется таковой в будущем. Вместе с тем необходимость создания научного задела и в то же время временная отдаленность материала от конечной продукции, а следовательно, большой срок коммерческой отдачи материаловедческих разработок предопределяют необходимость государственной поддержки и, в первую очередь, финансовой. Именно поэтому в Президентской программе «Развитие гражданской авиационной техники России до 2000 года»* и в предлагаемой на утверждение Правительства России такой же программе на период 2001—2015 гг. задачи по разработке новых материалов выделяются отдельным разделом. Условия эксплуатации авиационной и космической техники обусловливают крайне жесткие требования к материалам, которые должны обеспечить прочность конструкции при минимальных удельной массе, габаритах и расходе топлива, надежность и длительный ресурс при воздействии переменных и значительных силовых нагрузок, чередования повышенных и пониженных (до — 253 °С) температур, коррозионно-ак- тивных сред, корпускулярных, электромагнитных, рентгеновских излучений и др. Поэтому при разработке новых материалов делается упор на такие параметры свойств, объединенные понятием «качество авиационных материалов», как: весовая эффективность (отношение прочности к удельной массе); надежность и ресурс, характеризующиеся, в первую очередь, показателями выносливости, сопротивлением малоцикловой усталости (МЦУ), статической (К1с, Кс и др.) и циклической трещино- стойкостью (а , Klscc и др.); контролепригодность, технологичность и ремонтоспособность. От качества материалов, применяемых в летательных аппаратах (ЛА), в существенной мере зависит конкурентоспособность техники. Для военной техники — это обеспечение требуемых тактико-технических характеристик (ТТХ) и других параметров: дальность, полезная нагрузка, скорость, маневренность, точность, всепогодность, обеспеченность производства отечественным сырьем, для гражданской — надежность, по- * Далее в тексте сокращенно: Программа. 25
ГЛАВА 1 жаробезопасность, комфортность, экологичность и др., при минимизации стоимости затрат на разработку, освоение и эксплуатацию. Очевидно, что подавляющая часть материалов, разработанных по столь высоким меркам, может быть использована и успешно применяется в других отраслях машиностроения и народного хозяйства: судостроении, атомной промышленности, транспортном, химическом, энергетическом машиностроении, медицине и др. За многие годы научно-производственной деятельности по созданию и внедрению материалов и передовых технолог™ сложилась отработанная схема научно-технической кооперации, обусловленная как необходимостью развития фундаментальных исследований, так и практическими требованиями создания объектов техники, в том числе авиационной (рис. 1). В области авиационного материаловедения важнейшими участниками этой кооперации являются головные институты авиационной промышленности — ЦАГИ, ЦИАМ. Совместно с заводами и КБ отрасли, институтами РАН и отраслевыми материаловедческими центрами других отраслей промышленности на основе анализа тенденций развития и требований авиационной техники определены основные направления работ при создании авиационных материалов. Намечаемые на 2001—2015 гг. НИР и НИОКР ориентированы на интенсивное повышение весовой эффективности, обеспечение максимальной эксплуатационной надежности и ресурса, снижение затрат на эксплуатацию авиационной техники. Применение перспективных конструкционных материалов в изделиях авиационной отрасли (планер самолетов и вертолетов) должно обеспечить: — повышение коммерческого срока эксплуатации с 20 до 25—30 тыс. часов; — повышение ресурса с 15—20 до 40 тыс. часов; — повышение межремонтного срока с 6—8 до 10—12 лет; — снижение массы конструкций на 20—25%. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПЛАНЕРА САМОЛЕТОВ И ВЕРТОЛЕТОВ Материальный облик ЛА определяют более 120 конструкционных и функциональных материалов, разработанных в рамках выполнения Программы и внедренных в самолетах Ил-96М, Ту-204, Ил-114, Бе-200, последних модификациях Ту-154М, Ил-86 и др. Благодаря применению новых алюминиевых сплавов, полимерных композиционных материалов, титановых сплавов, конструкционных ста- 26
Определение перспективных направлений (Секции РАН) н Совет по материалам t Институты РАН ! (ИМЕТ, ИНЭОС, ИСПМ, ИХФ, ИФХ и др,) Отраслевые институты (Гиредмет, НИИГрафит, Химволокно, НПО «Стеклопластик» и др.) Поисковые исследования i i Создание опережающего научно-технического задела по разработке материалов и технологий } J Разработка материалов } jr Поставка опытных партий т зтериалов ^~ —~—i^ ♦ 'ШШ Авиационные заводы и КБ. Ремонтные заводы Разработка и согласование требований к авиационным материалам (ЦАГИ, ЦИАМ) ♦ Аналитический Центр ВИАМ ♦ Металлургические и химические заводы (КУМЗ, ВСМПО, «Электросталь», СМК, ЧПЗ, «Пласгполимер», АО «Синтез» и др.) ^~ w Предприятия других отраслей (в том числе Гавром, РАО ЕС, предприятия г Москвы) Самолетные КБ Двигательные КБ Предприятия других отраслей (в том числе зарубежные) t 3 1 •с X то I 1 X >s li О | Рис. 1. Научно-техническая кооперация по созданию и внедрению материалов
ГЛАВА 1 «C»>j»»>j^> Jgfr лей, комплекса неметаллических материалов — лакокрасочных покрытий, клеев, герметиков — обеспечено повышение срока эксплуатации изделий (в 1,5—2 раза), ресурса в (1,5—2 раза), пожаробезопасности интерьера, межремонтного срока при эксплуатации. Основным конструкционным материалом для планера остаются алюминиевые сплавы. В 2000—2015 гг. их доля в структуре применения сохраняется на уровне 50%. Задача повышения надежности, улучшения характеристик трещино- стойкости, повышения усталостных свойств сплавов для фюзеляжа, крыла и силового набора решалась путем значительного повышения чистоты сплавов (уменьшение содержания примесей кремния и железа, количества избыточных фаз), разработки новых режимов термообработки, улучшения качества полуфабрикатов. Сплав 1163-АТ системы А1—Си—Mg не уступает по свойствам американскому сплаву 2524. Высокопрочный сплав системы 1933 в виде ковочных и прессованных полуфабрикатов, обладающий уникальным сочетанием прочности (ав= 450—500 МПа) и вязкости разрушения, превосходит по этим показателям сплавы США (7175 и 7050). Сплав в виде крупногабаритных деталей (шпангоутов, фитингов, балок) применен в изделиях КБ О. К. Антонова, А. С. Яковлева и др. Планируется использовать сложные по форме фитинги длиной до 6 м на аэробусах А320, АЗХХ. Самарским металлургическим заводом совместно с ВИАМ разработана уникальная технология получения крупногабаритных прессованно- штампованных полуфабрикатов из сплава 1933, обеспечивающая наряду с высоким уровнем эксплуатационных свойств пониженный уровень остаточных напряжений в полуфабрикате, что существенно уменьшает поводки и коробление деталей при последующей механической обработке. Проведенные в последние годы исследования по оптимизации высоколегированной композиции системы А1—Zn—Mg—Си с малой добавкой Zr (1965 — сплав В96ЦЗ) позволили обеспечить в новых состояниях Т12, Т2 на 10—20% более высокую прочность (по сравнению со сплавом В95п.ч., В95о.ч.). Сплав имеет благоприятное сочетание сверхвысокой прочности и повышенной коррозионной стойкости при хорошем уровне вязкости разрушения и технологической пластичности. Сплав В96ЦЗ (в виде длинномерных катаных и прессованных полуфабрикатов) предназначен для элементов, работающих преимущественно на сжатие в полете (верхние обшивки крыла и др.). Перспективный путь повышения весовой эффективности — совершенствование слоистых металлокомпозитов типа АЛОР и СИАЛ. По 28
ВИАМ - НАУЧНЫЙ ЦЕНТР АВИАЦИОННОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ сравнению с алюминиевыми сплавами СИАЛ обладает более высокой статической прочностью (в 1,5—2 раза), чрезвычайно низкой скоростью роста усталостной трещины (в 10—20 раз), пониженной на 10—17% плотностью и большим сопротивлением усталости (в 1,5—2 раза). Еще один способ повышения весовой эффективности — уменьшение плотности, который реализуется путем создания рецептур алюминиевых сплавов, легированных литием. Создана серия сплавов средней (1420, 1424, 1441) и высокой прочности (типа 1460). Высокопрочный свариваемый сплав типа 1460 предназначен для эксплуатации в широком интервале температур — от +175 до -253 °С; его применение в космических конструкциях взамен сплавов типа АМгб возможно вследствие существенного повышения прочностных свойств сварных соединений (до 0,94 вместо 0,65 от прочности основного металла) при температурах -253 °С, что позволяет снизить массу конструкции (на -35%). Дальнейшие работы в области совершенствования и внедрения особо прочных алюминиевых сплавов типа В96ЦЗ направлены на исследования по оптимизации составов сплавов, взаимосвязи режимов старения, параметров структуры и сопротивления полуфабрикатов разупрочнению при повышенных температурах, воздействия температур эксплуатации на характеристики усталости, вязкости разрушения, коррозионной стойкости. Для высокопрочных ковочных сплавов (1933-Т2) необходимы расширение номенклатуры полуфабрикатов, оптимизация технологии и режимов термообработки. Стоят задачи по освоению производства крупногабаритных листов класса СИАЛ, отработке технологии изготовления деталей из них, испытаний конструкционных элементов. Предстоит разработать нормативно-техническую документацию на поставку полуфабрикатов и инструкции по их применению. В области жаропрочных алюминиевых сплавов предстоят работы по уточнению рецептур: например, сплава 1143 системы А1—Си—Mg—Fe—Ni, в частности содержания Fe, Ni и влияния примесей на длительную прочность на базе не менее 1000 ч при температурах испытания 150 и 175 °С; оптимизации интервала легирования, режимов термической обработки, исследованию коррозионной стойкости сплава Д25 (системы А1—Си—Мп) для обеспечения длительной прочности о\Щ = 270 МПа; изучению влияния состава сплава 1215 (А1—Си—Mg—Ge) на кинетику процесса разупрочнения при температурах 150—200 °С с выдержкой до 30000—60000 ч; исследованию режимов искусственного старения для про- 29
ЯШИ мышленных партий полуфабрикатов сплава 1151 (А1—Cu-Mg) повышенной жаропрочности, свариваемости (cj^oo = 200 МПа; KJ= 88,5 MIlaV\i; ав.св = ^90 МПа), который может заменить сплавы Д16, Д19, АК4-1ч., АК6, АК8 и 1201 для изготовления обшивки самолета, и особенно греющихся элементов планера (противообледенители, мотогондолы, передняя кромка крыла и т.п.) с целью повышения надежности и ресурса сверхзвуковых самолетов на 10—15%. Для коррозионностойких высокотехнологичных сплавов систем А1—Mg—Si и Al—Zn—Mg—Си, используемых для обшивки фюзеляжа гидросамолетов и палубной авиации (АД37), а также в виде штамповок и прессованных полуфабрикатов (В91-ТЗ) для самолетов морской авиации, необходимо уточнить режимы термообработки, изготовить промышленные партии полуфабрикатов из них, провести паспортизацию, сертификацию, выпустить техдокументацию. Применение сплавов АД37 и В91 позволит увеличить календарный срок службы изделий и их узлов, сократить в 2—3 раза количество ремонтов при эксплуатации морской авиации и снизить трудоемкость изготовления деталей на 10—20%. ВЫСОКОПРОЧНЫЕ ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ В области конструкционных, в том числе литейных, титановых сплавов задача повышения ресурса и надежности будет решаться созданием нового поколения комплексно-легированных сплавов с повышенными характеристиками предела выносливости (на 30%) и трещиностойкости (КСТ — на 200%) при снижении стоимости сплава (на 20—30%) за счет полного перехода на отечественное сырье и недефицитные легирующие компоненты (снижение содержания молибдена и ванадия). Перспективные сплавы типа ВТ23, ВТ22 за счет комплексного легирования (а+р)-твердых растворов могут упрочняться на различные уровни прочности — от 1100 до 1400 МПа. В настоящее время сплавы ВТ23, ВТ22 широко применяются для силовых деталей и сварных узлов (ВТ22 — для сварных узлов шасси гражданских самолетов КБ С. В. Ильюшина и О. К. Антонова) авиакосмической техники; изготовляются серийно все виды полуфабрикатов: плиты (11—160 мм), прессованные трубы, прутки, поковки, штамповки, а из сплава ВТ23 — и фольга (0,08—0,1 мм), лента (0,15—1 мм), листы (0,8-10,5 мм). Сочетание широкого ассортимента полуфабрикатов и высокой технологичности позволяет изготовлять практически все силовые элемен- 30
ВИАМ - НАУЧНЫЙ ЦЕНТР АВИАЦИОННОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ ты конструкций ЛА из сплавов ВТ23 и ВТ22 с обеспечением снижения массы конструкций (на 20—30%), стоимости и трудоемкости изготовления. Создание нового класса конструкционных сплавов с регламентированным типом упрочнения для высоконагруженных деталей при использовании прогрессивных технологических процессов сверхбыстрого охлаждения из жидкой фазы, гранулирования, газостатирования и изотермического прессования должно обеспечить повышение прочностных и ресурсных характеристик на 15—25%. КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ Стали стабильно применяются в современном самолетостроении, и объем их применения находится на уровне 5—10%. В некоторых самолетах, например сверхзвуковых истребителях, стали являются профилирующим материалом. Основное назначение сталей — использование их в конструкциях, от которых требуются высокие жесткость, удельная прочность, усталостная долговечность, теплопрочность, коррозионная стойкость и ряд других параметров. Кроме того, как при производстве полуфабрикатов, так и при изготовлении сложных, в том числе сварных, конструкций, для которых сварка должна являться финишной операцией, применение сталей особенно целесообразно из-за их хорошей технологичности. Благодаря новым разработкам удалось повысить минимальный уровень прочности стали до 1950 МПа при сохранении значений величины КХс. В последнее время созданы новые экономнолегированные высокопрочные конструкционные свариваемые стали ВКС-8 (ав= 1800—2000 МПа) и ВКС-9 (ав= 1950—2150 МПа), которые по значениям трещиностойкости не уступают стали 30ХГСН2А, а в ряде случаев и превосходят ее. Дальнейшие работы в этой области материаловедения связаны с проведением исследований по выбору оптимального легирования, повышению чистоты по примесям и однородности структуры, оптимизации фазового состава, разработке режимов упрочняющей термической обработки. В области среднелегированных свариваемых сталей для шасси и силовых деталей планера должны быть достигнуты высокие характеристики прочности, вязкости и надежности: ов « 2100—2300 МПа, а0 2 = 1600 МПа, К[с> 62 МПаЛ, МЦУ (при атах = 500 МПа): N= 300 кцикл - к 2010 г. Для шасси и силовых деталей планера гидросамолетов с целью обеспечения снижения массы узлов, высоких коррозионной стойкос- 31
ГЛАВА 1 ■<p>g»>j»> Jg> ти и сопротивления повторным нагрузкам будут разработаны корро- зионностойкие высокопрочные свариваемые стали с прочностью ов = = 1700-1900 МПа, KCV > 0,7 МДж/м2, у > 40% (для сравнения: наиболее прочная сталь этого класса ВКС-43 имеет ав ~ 1600 МПа, зарубежная АМ-355 - ав - 1550 МПа). Для получения принципиально новых паяных сотовых конструкций должны быть разработаны свариваемые стали с прочностью ав > 1350 МПа; это позволит обеспечить ремонтопригодность теплообменных аппаратов с помощью сварки. Необходимо особо отметить одну из областей применения высокопрочных коррозионностойких сталей — криогенная техника. Разработка и создание перспективных криопланов (самолетов с двигателем на водородном топливе) делают необходимым проведение исследований по получению безуглеродистых коррозионностойких сталей, работоспособных в среде жидкого и газообразного водорода. Важным направлением исследований является совершенствование износостойких сталей. В частности, для увеличения (в 1,5—2 раза) ресурса шестерен агрегатов управления будут разработаны износостойкие, не подвергаемые поверхностному упрочнению стали с высокой твердостью (>60 HRQ, вязкостью KCU > 0,4 МДж/м2, прочностью ав изг = = 2500-3000 МПа, теплопрочностью до 500 °С. ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ (ПКМ) Благодаря существенным преимуществам по удельной прочности и жесткости, исключительному сочетанию конструкционных, теплофизи- ческих, специальных свойств ПМК все в большем объеме применяются в конструкциях ЛА. Если в конструкции планера и в интерьере самолета Ту-204 объем применения ПКМ составил 14% от массы, то в перспективных пассажирских аэробусах (типа АЗХХ) он достигнет 25%. Применение ПКМ на основе углеволокна — одно из эффективных средств снижения массы конструкции. Совершенствование прочностных, деформационных, теплофизических характеристик углепластиков и повышение их теплостойкости (рис. 2, 3) даст возможность использовать их не только в слабо- и средненагруженных конструкциях пассажирских самолетов (интерьер, средства механизации крыльев, зализы и т.п.), но и в перспективе, по аналогии с военными самолетами, в высоконаг- руженных деталях типа крыльев, вертикальных рулей и др. С целью создания теплостойких ПКМ, способных работать при температурах 300—400 °С, разработаны научные основы получения полимер- 32
ВИАМ - НАУЧНЫЙ ЦЕНТР АВИАЦИОННОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ 40 *£ 30 го 5 Ш 20 X О 10 Слабо* Средне- нагруженные наг^шнные конструкции конструкции с« 1000 МПа з» 1500 МШ ШРЖЖ I поколение II поколение ЩФШ&$: }0А^%щ^^т^щ^^ 1990 2000 2015 Год Рис. 2. Эффективность применения углепластиков в конструкции планера ной матрицы методом изомеризационной полициклизации непосредственно на наполнителе предварительно полученного форполимера, образующего в процессе реакционного формирования макрогетероциклическую структуру лестничного типа, содержащую конденсированные ароматические и гетероциклические фрагменты: NH форполимер II сформированная NH полимерная матрица Формирование лестничного полимера методом изомеризационной полициклизации протекает без вьщеления низкомолекулярных продуктов реакции и приводит к образованию плотноупакованной сверхжесткой лестничной структуры с высоким уровнем межмолекулярного взаимодействия и тепло- и термостойкостью, находящимися практически на максимально возможном уровне, характерном для органических полимеров. Полученные таким образом полимерные матрицы с плотностью 1,44-1,5 г/см3 характеризуются физико-механическими показателями, не уступающими свойствам лучших эпоксидных связующих, и обладают одновременно термоокислительной устойчивостью вплоть до температур 3 - 5961 33
ГЛАВА i 500—520 °С и температурой стеклования Тс > 400 °С. На основе разработанного связующего изготовлены опытные образцы угле-, стекло- и органо- пластиков. Полученный на первой стадии синтеза форполимер подвергается измельчению в порошок и напыляется на наполнитель в электростатическом поле, что позволяет реализовать экологически чис- препреги практически неограниченной жизнеспособности. Благодаря отверждению связующего по механизму многостадийной ступенчатой изомеризационной полициклизации без выделения летучих продуктов возможно использование упрощенного технологического процесса формования, включающего в себя формообразование при 200 °С в оснастке с последующей термообработкой при 200—350 °С в свободном состоянии. Изготовленные по указанной технологии опытные образцы ПКМ обладают следующими прочностными характеристиками: углепластик - с*™° до 1320 МПа;тс^° до 40 МПа; стеклопластик - а^° - 670 МПа; o*££ - 280 МПа. Объем применения в конструкциях вертолетов ПКМ (стекло-, орга- но-, углепластики) и гибридных материалов существенно выше, чем в самолетных конструкциях, и достигает в изделиях последних модификаций до 60% от массы. Их применение в конструкциях несущих винтов, лонжеронов, обшивки и нервюр хвостовых секций, обшивок сотовых панелей руля, киля, стабилизатора, топливных баков, антенных обтекателей обеспечивает снижение массы на 30%, увеличение ресурса в 2—4 раза, существенное повышение боевой живучести. Особенно эффективно применение ПКМ для изготовления лопастей вентиляторов для двигателей самолетов Ан-70, Ил-114, Ан-140, Ан-38. Благодаря снижению массы лопастей (по сравнению с алюминиевым сплавом на 66%) обеспечиваются: высокая тяга на старте, сокра- Е, ГПа 'экспл (длительно) 2,0 ТКЛР Асс-Ю6, К"1 1400 „.еж» МПа Рис. 3. Совершенствование характеристик углепластика КМУ-7ум тую безрастворную технологию и получить 34
ВИДМ - НАУЧНЫЙ ЦЕНТР АВИАЦИОННОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ щение разбега при взлете и посадке, снижение в 2—3 раза шума и вибрации, расхода топлива на 25% и повышение КПД до 0,85—0,88. Дальнейший прогресс в применении ПКМ для сильнонагруженных конструкций связывается с разработкой нового класса слоисто-волокнистых анизотропных полимерных материалов — адаптирующихся композиционных материалов (АКМ). АКМ типа углепластиков имеют анизотропию, созданную нетрадиционной укладкой монослоев. Ось анизотропии имеет некоторый угол с линией действия нагрузки в плоскости конструкций, например обшивок, балок и т.п. Исследования показали, что при силовом воздействии на конструкцию с определенной структурой материала, характеризующейся углом между линией действия сил и главной осью анизотропии, происходит значительная деформация изделия в плоскости, т. е. изменение его формы, что приводит к изменению распределения действующих нагрузок и в конечном счете выражается в снижении нагрузок, действующих на конструкцию в целом, и, как следствие, — в снижении ее массы (рис.4). Следует отметить, что применение традиционных композиционных конструкций может принести определенный эффект, однако применение адаптирующихся КМ этот эффект значительно увеличивает. Например, согласно расчетам, применение обычных КМ в концевой части крыла самолета на одной трети размаха приводит к уменьшению массы конструкции планера на 150 кг, в то время как применение адаптирующихся КМ, деформирующих крыло в нужном направлении, при расчетных режимах позволит уменьшить массу крыла на 3200 кг (расчеты выполнены для самолета типа АЗХХ большой пассажировместимости — на 700 пассажиров, при взлетной массе 600 т). На практике реализована возможность достижения высоких массовых и аэродинамических характеристик при использовании адаптирующегося материала — углепластика АКМ-1у в крыле обратной стреловидности истребителя С-37 «Беркут» АО ОКБ «Сухого». Из этого материала выполнены панели кессона крыла размером 7x2 м и толщиной в корневой части около 20 мм. Высокий модуль упругости материала по размаху крыла Е = ПО ГПа при удельной массе 1,6 г/см3 в сочетании с требуемой адаптирующейся способностью обеспечил постоянство углов атаки при различных маневрах самолета, что было продемонстрировано в процессе летных испытаний. Эффект адаптации можно использовать во многих областях техники: машиностроении, строительстве, медицине и др. з* 35
Рис, 4. Применение композитов с регулируемой анизотропией для адаптирующихся и саморазгружающихся конструкций: а — схема крыла с композитной вставкой (законцовка,); б — распределение изгибающих моментов (М^зт) вдоль крыла (L, I — длина крыла и законцовки соответственно) Дальнейшее развитие получит направление использования клеев при изготовлении авиационных конструкций (в том числе сотовых), что обеспечит повышение уровня прочности (на 25%), ресурса и надежности (в 2—3 раза), снижение энергозатрат (в 1,5 раза) за счет снижения температуры отверждения клеев до 100 °С. Предполагаемый рост прочностных свойств клеевых конструкций представлен на рис. 5. Все большее применение найдут конструкции из стекло-, углепластиков и их сочетаний, изготовленные по препреговой технологии из клеевых препрегов. Она дает возможность за одну технологическую операцию получить детали одинарной и сложной кривизны. Свойства материалов программируются в зависимости от характеристик матрицы, вида наполнителя, его количества и распределения. Применение такой технологии сокращает трудоемкость и энергоемкость изготовления сотовых конструкций в 2—3 раза, при этом повышается усталостная и длительная прочность изделий (на 20-30%), их трещиностойкость (до 60%). 36
ВИНИ ~ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР АВИАЦИОННОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ Высокопрочные клеи ВК-25, ВК-31, ВК-40, ВК-36, ВК-51, ВК-41 и другие и клеевые препреги (КМК) широко применяются в конструкциях практически всех современных ЛА. Так, площадь клеевых соединений в самолетах «Руслан», Ил-96-300 составляет более 3000 м2. Важнейшей задачей по реализации на практике концепции создания безопасно повреждаемых конструкций планера с увеличением ресурса является разработка новых высокопрочных материалов — информкомпозитов, способных нести нагрузку и осуществлять передачу информации о повреждениях, возникающих в материале в процессе эксплуатации. В рамках Программы должны быть созданы металлополимерные информкомпозиты для стоп- перов — индикаторов повреждений обшивки самолетов — и разработаны технологические методы установки стопперов в конструкцию планера. Прочность таких информкомпозитов должна достигать ав> 1300—1500 МПа. В последние годы дальнейший прогресс в совершенствовании свойств полимерных материалов, в частности клеев, композитов, компаундов и др., связывают с исследованиями в области наноструктури- рованных материалов и технологий. Перспективы их использования оказались столь значительными, что ученые и инженеры многих специальностей увидели в этом феномене отчетливые признаки новой научно-технической революции. Администрация США, например, придала указанным исследованиям и разработкам высший приоритет — для поддержки Национальной Нанотехноло- гической Инициативы на 2001 год выделено 495 млн. долл. [1]. Особые свойства материи на наномасштабном уровне проявляются в силу того, что размеры частицы (молекулы, кластера, зерна, домена) становятся сравнимы с масштабами таких физических величин, как средний пробег электронов в металлах, размеры доменов в ферромагнетиках, пробег фононов в кристаллах, эффективные размеры экситонов в полупроводниках. В основе функционирования наносистем лежат, таким образом, квантовые проявления материи. На базе этих представлений и уже наработанного эксперимента прогнозируется создание нанострукту- тсдв, МПа I 60 I М Высокопрочный клей ^СДВ' МПа ШЙ Термостойкий клей б Рис. 5. Рост прочностных характеристик клеевых соединений (напряжение при сдвиге, МПа) при температуре испытаний 20 (а) и 400°С (б): 1— - существующий клей (1992 г.); ШШШ - опытный клей (2000 г.) 37
ГЛАВА 1 рированных углеродных и керамических материалов, в десятки раз более прочных, чем сталь; полимерных материалов в 3 раза более прочных, чем существующие полимеры, — для применения в самолетостроении. Исключительный интерес представляют углеродные наномодификато- ры — фуллерены и нанотрубки (Н. W. Kroto, R. E. Smailey — Нобелевская премия, 1996 г.). Фуллерен С60 — устойчивая сфероидная кристаллическая молекула с радиусом 0,357 нм, кроме нано-фактора, обладает уникальной совокупностью свойств: растворимостью (в бензоле 2,5 мг/мл); способностью к присоединению (до 26 групп —ОН); способностью проявлять свойства полупроводника и сверхпроводника, либо выдерживать большие напряжения, либо выборочно блокировать свет. Организация отечественного производства фуллеренов и углеродных нанотрубок позволила приступить к их исследованию как потенциальных наномодификатов полимерных композитов. Увеличение стадийности механизма многократного хрупкого разрушения до наноуровня обеспечит, по мнению разработчиков, рост эксплуатационных характеристик композита и его живучести. В углепластиках становится возможным осуществить наноструктурную модификацию границы раздела «полимерная матрица — армирующее волокно» аппретированием волокна раствором фуллеренов, а введением в состав связующего углеродных нанотрубок — достичь модификации надмолекулярной структуры матрицы. Это позволит устранить «рыхлость» и уменьшить долю свободного объема. Таким образом можно повысить коэффициент упаковки матрицы и композита в целом. Эксперименты с углепластиками подтверждают прогноз. Наблюдается уплотнение материала, повышение его деформатив- ности и вязкости разрушения [2]. В принципе, с помощью функциональных производных фуллеренов, можно организовать в полимерной матрице объемный армирующий каркас. Это позволило бы ослабить отрицательное влияние анизотропии — известного недостатка слоистых композитов. Вообще фуллерены следует рассматривать как особый универсальный объект для широкого круга прикладных разработок. В рамках проблем авиационного материаловедения целесообразность применения фуллеренов, нанотрубок рассматривается также при разработке таких авиационных материалов на полимерной основе, как клеи и герметики с повышенной адгезионной и когезионной прочностью, резины с улучшенной сопротивляемостью истиранию, лакокрасочные покрытия с повышенной адгезией и стойкостью к эрозии, тепло- и электропроводящие неметаллические покрытия [3]. 38
ВИАМ - НАУЧНЫЙ ЦЕНТР АВИАЦИОННОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ Общими проблемными вопросами остаются развитие научных представлений о природе фуллеренов и фуллероидных структур, об их естественных проявлениях (например, «шунгиты»), а также освоение производительных методов синтеза и снижение стоимости. Конкурентоспособность будущих пассажирских самолетов в значительной мере зависит от обеспечения требуемых параметров по уровню шума на местности (АП-36) и в салонах самолета, а также пожаробезопасное™ декоративно-конструкционных и декоративно-отделочных материалов (АП-23 и АП-25). Для реализации этих требований стоят задачи по созданию комплекса звукопоглощающих, звукоизолирующих материалов, термопластичных декоративных пленок и сот на основе термопластов с допустимыми параметрами тепловыделения; должны быть разработаны отечественные сырьевые компоненты этих материалов. Разработанные материалы и конструкторско-технологические решения должны обеспечить снижение шума в салоне и на местности на 5—20 дБ и расширение диапазона частоты поглощаемых шумов до 12000 Гц. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ (ГТД) В настоящее время идет конструкторская, технологическая и мате- риаловедческая проработка проблемы создания двигателя нового шестого поколения. При этом задача по повышению работоспособности материалов в условиях жесткого комплексного воздействия высоких температур, напряжений и агрессивной среды является одной из важнейших. В двигателе шестого поколения необходимо обеспечить отношение тяга/масса на уровне 20:1. Для сравнения это отношение для двигателей четвертого поколения (1970—1975 гг.) равняется 8:1, а для современных двигателей пятого поколения (1985—2000 гг.) — 10:1. В области материаловедческих задач исследования по этому направлению предусматривают как разработку классических жаропрочных сплавов (титановых, никелевых — литейных и деформируемых), теплобарьер- ных покрытий, уплотнительных материалов, так и создание новых классов материалов — таких как интерметаллидные сплавы, металлические композиционные материалы. Важной составляющей этих исследований является разработка новых технологий, обеспечивающих, в частности, производство монокристаллических лопаток с проникающим охлаждением, а также технологий деформации, сварки и ремонта деталей ГТД. 39
Предстоит разработать или усовершенствовать оптимальные теоретические и экспериментальные методы управления структурой и фазовым составом материалов с целью повышения комплекса их физико-механических и эксплуатационных свойств. Применение материалов и технологий должно обеспечить: — рост рабочей температуры газа двигателей нового поколения с 1300-1400°С до 1600-1800°С; — снижение расхода топлива с 0,6 до 0,4 кг топлива/кг тяги в час; - рост тяги с 280 до 400 кН (с 28000 до 40000 кгс); — повышение надежности и ресурса дисков в 2—3 раза, рабочей температуры на 50—70 °С, снижение массы дисков на 10—15%; — снижение расхода дефицитных легирующих элементов (Со, W, Nb, Re и др.). Для повышения ресурса и надежности жаропрочньос титановых сплавов в первую очередь предстоит наиболее полно реализовать потенциальные возможности отечественных сплавов (стабильность свойств) путем усовершенствования технологических схем производства серийной продукции (сплавы ВТ8М-1, ВТ8-1, ВТ25У, ВТ18У). Необходимо жестко регламентировать состав, равномерную по сечению и длине предварительных заготовок макро- и микроструктуру. Вместе с тем потенциальных возможностей по дальнейшему повышению жаропрочности титановых сплавов при температурах > 620 °С остается крайне мало, а возможности легирования практически исчерпаны. Основные перспективы в разработке и освоении нового поколения конструкционных жаропрочных титановых сплавов с повышенной плотностью, пониженными окисляемостью и горючестью связаны с развитием интерметаллидных сплавов на основе Ti3Al и TiAl для работы при температурах 600-800 °С. Предстоит завершить комплекс исследований и разработок по многокомпонентному легированию базовых композиций активными элементами, освоению новых методов плавки, технологий производства поковок, листов и плит, регламентации структуры в процессе деформации и термообработки, поверхностной обработке готовых деталей. Завершение перечисленных исследований и разработок позволит получить характеристики для интерметаллидных титановых сплавов: - на основе Ti3Al: d = 5,0 г/см3; ав=1200 МПа; 8 > 6%; о_{ = 750 МПа; а6^0 = 420 МПа; - на основе TiAl: rf = 3,8 г/см3; а=500 МПа; 8>2,5%; а?2}°=300МПа; 40
ВИАМ - НАУЧНЫЙ ЦЕНТР АВИАЦИОННОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ — для сплавов с интерметаллидным типом упрочнения: ав=1250— 1300 МПа; 8 = 8-16%; а^50°=1080 МПа. Основной задачей при создании ГТД является повышение жаропрочности турбинных лопаток, испытывающих исключительно высокие температурные и силовые нагрузки. В области создания перспективных ГТД авиационного и наземного назначения важнейшей задачей является изыскание новых жаропрочных сплавов для рабочих и силовых лопаток, разработка процессов и оборудования для производства монокристаллического литья, решение проблем эффективного охлаждения деталей, а также обеспечение выхода годной продукции по геометрическим и кристаллографическим параметрам и структурному совершенству получаемых отливок. В отношении жаропрочных литейных сплавов поставленные задачи решаются как разработкой классических жаропрочных никелевых сплавов (ЖНС) путем поиска оптимальных композиций с повышенным содержанием тугоплавких элементов (Re, Та, W), так и созданием сплавов на основе интерметаллидов (главным образом алюминидов никеля), а также освоением в качестве сверхжаропрочных материалов так называемых естественных композитов — направленно закристаллизованных эвтектических сплавов, упрочненных нитевидными карбидами ниобия и тантала. Следует отметить, что способ повышения жаропрочных свойств монокристаллических сплавов путем оптимизации традиционного легирующего комплекса, включающего W, Мо, Та, Ti, Сг, Со, в настоящее время исчерпан. Современная тенденция совершенствования монокристаллических ЖНС заключается в использовании в качестве легирующего элемента рения [4, 5]. Концентрация рения в промышленных ЖНС достигает 3—4% (2-е поколение); в опытных сплавах — 5—6% (3-е поколение). Наибольший эффект в повышении жаропрочности достигнут у опытного сплава с содержанием рения 9%. При этом должен быть достигнут уровень жаропрочности о10^ > 300—320 МПа. Разрабатываемые композиции должны быть мало склонны к объемной и поверхностной рекристаллизации при проведении высокотемпературной термообработки и технологических нагревов. Сплав с такими показателями свойств обеспечит повышение рабочей температуры на 30—40 °С и увеличение долговечности лопаток в 2—3 раза (в условиях эксплуатационных воздействий). Необходимость дальнейшего повышения рабочих температур и ресурса деталей ГТД вызвала потребность в изыскании новой, более тер- 41
IHSii мостабильной основы сплавов, чем фазоупрочненный твердый раствор на основе никеля. В качестве такой основы целесообразно использовать интерметаллические соединения типа Ni3Al, ковалентные связи в которых способствуют более эффективному решению проблем жаропрочности (по сравнению с обычными металлическими связями твердого раствора). В зависимости от дополнительного легирования основы Ni3Al, а также от структуры отливок, определяемой технологией литья, можно регулировать уровень жаропрочности этих сплавов. При этом при переходе от равноосной структуры к столбчатой и далее — к монокристаллу жаропрочность сплава возрастает. Комплекс свойств интерметаллидного сплава с монокристаллической структурой ВКНА-1В МОНО представлен в табл. 1. Таблица 1 Свойства сплава ВКНА-1В МОНО Свойства Показатели свойств при температуре испытаний, °С -70 20 800 900 1000 1100 1200 1250 ов, МШ 8, % °I00> МПа osnft) МПа 1350 14 - - 1350 14 - - 890 26 530 470 760 25 360 290 520 30 200 150 410 22 100 75 230 24 50 30 160 29 - - Следует отметить, что при одинаковом уровне жаропрочности (температура 1100°С) интерметаллидные сплавы содержат существенно меньшее количество дефицитных дорогостоящих тугоплавких элементов, таких как W, Мо и др. Наиболее эффективно применение сплавов на интерметаллидной основе для изготовления охлаждаемых и неохлаждаемых сопловых лопаток, деталей жаровых труб и реактивного сопла, работающих в интервале температур 900—1150 °С. Новейшие разработки в этом направлении позволяют повысить жаропрочность сплавов до уровня о12^ > 50—70 МПа. Дальнейший прорыв в области жаропрочных материалов (рабочие температуры до 1300°С и более) обеспечивают также металлические композиционные материалы (МКМ). В качестве матрицы используют различные материалы, такие как Al, Ti, интерметаллиды и др., а в качестве армирующих материалов — нитевидные кристаллы, дисперсные частицы 42
ВИДМ - НАУЧНЫЙ ЦЕНТР АВИАЦИОННОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ тугоплавких соединений, в частности карбида кремния, оксидные или вольфрамовые волокна и др. В настоящее время разрабатываются металлические композиционные материалы со следующим уровнем свойств: — а1!00 > 100 МПа; d<l г/см3 (интерметаллидная матрица); — Gg00 > 300 МПа; d < 6,5 г/см3 (титановая матрица); — Gg00 > 150 МПа; d < 3 г/см3 (матрица из легких сплавов). К классу композиционных материалов относятся и естественные композиты, получаемые по технологии направленной кристаллизации эвтектических сплавов. В этих сплавах каждая из эвтектических фаз растет перпендикулярно фронту кристаллизации, что позволяет путем перемещения плоского фронта кристаллизации получить ориентированную структуру волокнистого строения. Упрочнителем в этих материалах является непрерывный взаимопроникающий каркас из нитевидных кристаллов монокарбидов тугоплавких металлов (ТаС, NbC). Разработанные естественные композиты позволяют получить высокий уровень длительной прочности при температурах до 1200 °С (g1^00 > 70 МПа). Анализ требований к материалам и достигнутый уровень свойств позволяет прогнозировать существенное возрастание объема применения КМ в перспективных ГТД (до 40%). В области технологических процессов литья монокристаллических лопаток с транспирационным охлаждением намечается усовершенствовать процесс, обеспечивающий получение в профильной стенке (толщина 2 мм) лопаток систему штырьков, продольных каналов (сечением 0,5x2,0 см) и отверстий, который может быть осуществлен без какой- либо крупной реорганизации серийных производств с использованием имеющегося на заводах оборудования. Эффективный способ повышения долговечности работы лопаток и других деталей ГТД — применение высокотемпературных защитных покрытий, формируемых в вакууме из многокомпонентной плазмы при высоких энергиях частиц (10—103 эВ). Стоит задача по разработке системы защиты металла лопаток от сульфидно-оксидной коррозии (ресурс > 15 000 ч), в том числе: — металлических (конденсированных, конденсационно-диффузион- ных) систем Afe-Cr-Al-Y; (Afe-Cr-Al-Y) + (Afe-Al-Cr-Y), где Me: Ni; Ni—Co; Co—Ni (рабочая температура до 1250°С); — теплозащитных из конденсированной керамики на основе стабилизированного диоксида циркония; 43
- коррозионностойких на основе Ni-Co-Cr-Al-Y; (Ni-Co-Cr-Al-Y) + + (Ni-Al-Si-B); — эрозионностойких, коррозионностойких на основе карбидов и нитридов металлов и других для лопаток компрессора из титановых и жаропрочных сплавов и сталей. Применение таких покрытий обеспечивает также и повышение надежности работы деталей ГТД. Особой задачей двигателестроения является создание сварных жаропрочных конструкций, таких как жаровые трубы, сварные корпуса камер сгорания и др. К ним предъявляется комплекс жестких технологических требований, в частности хорошая свариваемость, высокая технологическая пластичность. Наиболее перспективными являются отечественные никелевые жаропрочные свариваемые сплавы, такие как ВЖ145, ВЖ155, ВЖ159. Сплав ВЖ155 является наиболее высокотемпературным свариваемым материалом для жаровых труб камер сгорания. По рабочей температуре (1200—1250 °С) этот сплав превосходит все отечественные и зарубежные материалы на Cr—Ni и Cr—Ni—Co основе. Сплав ВЖ159 по основной характеристике материалов для жаровых труб — термостатичности — в несколько раз превосходит серийные отечественные материалы. Он обладает высокими прочностными характеристиками, что позволяет снизить массу сварных узлов и использовать его в качестве материала как жаровых труб, так и корпусов (табл. 2). Таблица 2 Сравнительные свойства никелевых жаропрочных свариваемых сплавов Сшшв <*Ш> МПа> НРИ температуре, °С 900 1000 1100 1200 20 ВЖ155 HS-188 ЭИ868 ВЖ145 - 71 52 70 60 35 25 35 40 15 - 15 Применение свариваемых сплавов ВЖ145, ВЖ155, ВЖ159 позволило повысить рабочие температуры жаровых труб на 150—200 °С, увеличить ресурс в 2—5 раза, а для сварных корпусов существенно повысить удельную прочность, снизить массу (на 15%) и уменьшить трудоемкость при изготовлении и ремонте (на 15—30%). 44
ВИДМ - НАУЧНЫЙ ЦЕНТР АВИАЦИОННОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПРИБОРОВ И АГРЕГАТОВ Целенаправленная разработка высокопрочных сталей, титановых сплавов, магнитных материалов, специальных клеев, теплоаккумулирующих материалов и т.п. позволила значительно повысить «весовую культуру» афегатов и приборов, надежность их работы и ресурс, нечувствительность к помехам и многие другие важные специфические характеристики. Для золотниковых пар гидроафегатов разработан сплав на Си—Ni основе вакуумной выплавки с высокими механическими свойствами в литом состоянии (ав = 1120 МПа; KCU= 0,4-0,5 МДж/м2) и отсутствием газовой пористости. Сплав обладает высокой износостойкостью и коррозионной стойкостью (исключается «схватывание» деталей золотников при использовании в гидроафегатах топлива с повышенным содержанием серы). Продолжаются исследования по разработке деформированного варианта этого сплава с целью повышения КИМ. Для зубчатых пар редукторов ГТД и вертолетов разработана сталь ВКС-10 с поверхностной твердостью после химико-термической обработки 60HRC. Сталь работоспособна при 300 °С (длительно) и при 550°С (кратковременно — без разупрочнения в течение 2 ч). Применение сталей позволяет передавать значительные крутящие моменты при офаниченных размерах редуктора и обеспечивает безаварийность его работы при перефевах в зоне контакта зубьев в условиях «масляного голодания». Разработка композиций элитарных сплавов, обладающих мало изменяющимися при колебаниях температуры упругими свойствами, позволила повысить точность срабатывания (в 5 раз) датчиков приборов измерения физических параметров (давление, плотность, скорость), обеспечить снижение массы и габаритов приборов. Быстродействие и точность навигационных приборов и системы автоматики ЛА обеспечиваются также кольцевыми магнитами с радиальной структурой на основе магнитотвердых материалов системы Nd—Fe—В, разработанных в ВИАМ. Материалы обладают магнитной энергией 320—350 кДж/м3, и в перспективе за счет новых систем легирования и микролегирования величина магнитной энергии достигнет 360—400 кДж/м3. ДЕФОРМАЦИЯ СПЛАВОВ Повышение свойств деформируемых ЖНС и высокопрочных титановых сплавов связано с усложнением их химического состава, все большим содержанием легирующих элементов и, как правило, с ухудшени- 45
ГЛАВА 1 ^>^»'>j8»->38» ем технологических свойств, сложностью получения однородной макро- и микроструктуры. Для реализации высоких свойств сплавов непосредственно в деталях, обеспечения повышения КИМ в 2—3 раза, снижения на 40—60% трудоемкости изготовления деталей разработаны процессы изотермической и сверхпластической штамповки титановых и жаропрочных трудно- деформируемых никелевых сплавов. Прочностные и деформационные свойства сплавов, полученных методом изотермической штамповки, на 10—40% выше, чем у сплавов, полученных методом обычной штамповки (рис. 6). Таким образом, широкое применение в самолетах, вертолетах и двигателях материалов нового поколения и технологий, разработанных в рамках выполнения Программы «Развитие авиационной техники России до 2000 года» (раздел «Материалы и технологии»), наряду с внедрением прогрессивных методов неразрушающего контроля, развитием системы управления качеством, обеспечат создание и эксплуатацию конкурентоспособной отечественной авиационной техники XXI века. Вместе с тем для обеспечения нужд авиационной техники в высококачественных металлических и неметаллических материалах необходимо решить ряд вопросов на государственном уровне, в том числе: —осуществить переоснащение металлургического комплекса страны прогрессивным, современным оборудованием для выпуска металлурги- МЦУ: ав, МПа 5, % N, кцикл (при атах = 550 МПа) 1300 ill 17,6 23 fBI1260 13,8-14,4 mm Wm\4j i и i и i Рис. 6. Механические свойства титановых (I) и высокожаропрочных никелевых сплавов (II), полученных по различным технологиям: Ш:Ш — обычная штамповка; — — изотермическая штамповка в состоянии сверхпластичности 46
ВИАМ - НАУЧНЫЙ ЦЕНТР АВИАЦИОННОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ ческих полуфабрикатов требуемой номенклатуры из новых сталей, алюминиевых и титановых сплавов, жаропрочных никелевых сплавов; —создать специализированные малотоннажные производства по выпуску химических материалов и полуфабрикатов по специальным техническим требованиям; —развить отечественные базы выпуска сырьевых материалов и компонентов, в первую очередь стратегического назначения; —совершенствовать систему организации, управления и координации работ по «Программе развития авиационной техники России до 2015 года»; целесообразно формирование отдельных Генеральных дирекций (по выполнению разделов «Программы»), несущих всю полноту ответственности за выполнение программных задач и обладающих правом полного распоряжения бюджетными средствами, а также средствами, полученными в процессе осуществления «Программы». Реализация работ должна осуществляться в тесном контакте с институтами РАН и другими участниками работ. Представляется целесообразным создание при Президиуме РАН Совета по материалам, который бы осуществлял научно-методическое руководство и координацию работ в области фундаментальных исследований (институты РАН) и непосредственно по созданию материалов. При этом необходимо решить вопросы совместного патентования, защиты авторских прав при серийном освоении разработанных материалов. Библиографический список 1. Richard W. Siegal, Evelin Ни, Michael С Roco R&D Status and Trends in Nanoparticles, Nanostructured Materials and Nanodevices. - Hardbound, ISBN 0-7923-5854-6, 1999 (September). - P. 369. 2. Ponomarev A.N., Aladjishkin A.N., Katselainen I. V., Panov S.A. Influence of Hypercarbon fillers on epoxy amine polymers properties. - In: CALS Production of Carbon Nanotubes, 1999 (April 22-23), Washington, DC USA, p. 10. 3. Пономарев А.Н., Никитин А. В., Скворцов Н.К., Кржижановский В. А. Высокоадгезивные и высокопрочные полимерные композиционные материалы повышенной теплостойкости, модифицированные полидисперсными многослойными нанотрубками и астраленами // Материалы Семинара «Моторола-ВНИИЭФ». Саров: 2000 (июль 14-17). 4. Каблов Е.Н., Светлов И.Л., Петрушж Н.В. Никелевые жаропрочные сплавы для литья лопаток с направленной и монокристаллической структурой (часть I) // Материаловедение, 1997, № 4, с. 32-38. 5. Каблов Е.Н., Светлов И.Л., Петрушин Н.В. Никелевые жаропрочные сплавы для литья лопаток с направленной и монокристаллической структурой (часть II) // Материаловедение, 1997, № 5, с. 14-17.
Глава 2 литейные жаропрочные сплавы и покрытия для монокристаллических лопаток гтд с транспирационным охлаждением УДК 669.018.28 СТ. Кишкин, Е.Н. Каблов ЛИТЕЙНЫЕ ЖАРОПРОЧНЫЕ СПЛАВЫ ДЛЯ ТУРБИННЫХ ЛОПАТОК* Эксплуатационные характеристики газотурбинных двигателей и стационарных установок во многом определяются свойствами никелевых жаропрочных сплавов, являющихся основным материалом для изготовления турбинных лопаток. Создание в средине 1940-х годов в Англии первого дисперсионно-твердеющего сплава Nimonic 80 для изготовления рабочих лопаток газовых турбин методом штамповки открыло новую главу в развитии жаропрочных материалов на никелевой основе. Открытие второй главы в истории этих материалов принадлежит СССР, когда в ВИАМ было показано, что наибольшую перспективу повышения уровня жаропрочности лопаток открывают не деформируемые, а литейные сплавы. Это связано с тем, что повышение степени легирования сплавов затрудняло или В работе принимали участие: В. Н. Толораия, Н. В. Петрушин, Н. Г. Орехов. 48
ЛИТЕЙНЫЕ ЖАРОПРОЧНЫЕ СПЛАВЫ Н ПОКРЫТИЯ даже делало невозможной их деформацию. Дальнейшего повышения жаропрочности можно было достигнуть только переходом к изготовлению лопаток методом точного литья. Кроме того, технология литья по выплавляемым моделям является практически единственным способом получения охлаждаемых лопаток, имеющих сложную геометрию внутренней полости. Это новое направление в развитии жаропрочных сплавов для изготовления рабочих лопаток газовых турбин в дальнейшем, с запозданием на пять лет, было принято в США, Англии и других странах. В области теории как высокой прочности, так и жаропрочности ВИАМ всегда придерживался представлений о необходимости гетерофаз- ности структуры. Открытие новой фазы часто делает эпоху в создании и развитии сплавов. Так было при открытии эффекта старения в дура- люминах и алюминиевых сплавах с литием. Так случилось и при открытии /-фазы (интерметаллическое соединение на основе Ni3Al) в никелевых сплавах, содержащих алюминий. Эта фаза обладает уникальными для интерметаллидов свойствами. В частности, у монокристаллов Ni3Al пределы прочности и текучести возрастают с повышением температуры до 700—80°С, а пластичность, высокая при 20°С (8 «15%), снижается в этом же интервале температур. Вопросы легирования и термостабильности /-фазы стали ключевыми в общей проблеме жаропрочности, в которой свою важную роль играет никелевый твердый раствор, взаимодействующий с упрочняющей фазой. Исследования диффузионной подвижности атомов в никелевых сплавах (С. 3. Бокштейн, Л. М. Мороз, С. С. Гинзбург и др.), их фазового состава (Н. И. Блок, Н. Ф. Лашко, М. Н. Козлова, Л. В. Заславская и др.) дали правильную ориентировку в начале работ — Советский Союз первым вступил на путь создания и применения для производства турбинных лопаток ГТД высокожаропрочных литейных сплавов, возможности которых еще далеко не исчерпаны. В результате успешного завершения серии исследований в конце 1950-х годов был разработан первый серийный отечественный литейный жаропрочный сплав марки ЖС6-К, позволивший создать литые охлаждаемые турбинные лопатки с равноосной структурой и повысить их рабочую температуру на 200 °С по сравнению с Г б лопаток из лучшего на тот период деформируемого сплава ЭИ437Б. Основными разработчиками сплава ЖС6-К были СТ. Кишкин, К.Я. Шпунт, Н.Ф. Лашко, А. П. Сонюшкина. Начиная с 1960-х годов основной тенденцией в разработке литейных жаропрочных сплавов было достижение их упрочнения путем уве- 4-5961 49
ГЛАВА 2 ^»»»^> »■ личения объемной доли высокодисперсных частиц /-фазы до 60—70%, дополнительного легирования тугоплавкими переходными металлами (Mo, W, Nb, Hf и др.) и микролегирования В, Zr, La и Се, а также повышения эффективности карбидного упрочнения. Формулируются основные принципы легирования сплавов, которые могут быть сведены к следующим положениям (СТ. Кишкин, Н.Ф. Лашко, С.3. Бокштейн, К. Я. Шпунт): — многокомпонентное легирование у-твердого раствора и /-фазы, для обеспечения высокой фазовой и структурной стабильности сплава; — упрочнение границ зерен, которое достигается за счет МС-кар- бидных выделений, а также избирательным микролегированием В и Zr. Исследования с применением радиоактивных изотопов и электронной микроскопии показали, что микролегирование замедляет процессы диффузии по границам зерен, резко повышая жаропрочность отливок с равноосной структурой; — достижение определенного соотношения между суммарным содержанием Al, Ti, Nb (/-образующие элементы) и суммарным содержанием Mo, Cr, W (преимущественно у-стабилизирующие элементы) с целью получения оптимальной разности параметров кристаллических решеток у- фазы и у-твердого раствора; — сведение к минимуму вероятности образования ТПУ-фаз (а-, |!-фаз, фаз Лавеса), карбидов типа МевС, выделение которых приводит к разупрочнению сплава. Сказанные требования были положены в основу при разработке литейных жаропрочных сложнолегированных сплавов ЖС6У и ЖС6-Ф (СТ. Кишкин, К.Я. Шпунт, Н.Ф. Лашко, В.М. Степанов, А.П. Сонюш- кина, В. В. Сидоров и др.). Для повышения жаропрочности и жаростойкости сплавов было введено упрочнение твердого раствора и f-фазы вольфрамом (11—12%) при относительно низком содержании молибдена (1,2—2,4%). Химический состав сплавов ЖС6У и ЖС6-Ф приведен в табл. 1, их механические свойства — в табл. 2. Результаты исследований механизмов высокотемпературного разрушения жаропрочных сплавов показали, что разрушение в процессе ползучести происходит по границам зерен, ориентированным перпендикулярно оси действующих напряжений. В частности, было показано, что никелевый жаропрочный сплав ЭИ437 разрушается по участкам границ зерен, расположенным перпендикулярно приложенной нагрузке, причем зарождение пор и трещин в этих местах начинается уже в начале второй стадии ползучести (СТ. Кишкин, Н.Ф. Лашко). Именно это пос- 50
Типичный химический состав серийных и перспективных литейных жаропрочных сплавов Сплав ВЖЛ12У ЖС6-К ЖС6У ЖС6-Ф ВЖЛ20 ЖС26 жсзо ЖС32 ВКЛС-20 ВКЛС-20Р ЖСЗОМ ЖС36 ЖС40 0,17 0,16 0,17 0,15 0,09 0,13 0,16 0,15 0,40 0,40 _ - - 9,5 11,3 8,8 5,5 10,0 4,4 7,0 4,9 С 4,3 4,0 7,0 4,0 6,3 Содержание элементов, % (по массе); Ni — остальное Cr Co Mo W Та Nb Al Ti Hf Re Сплавы для равноосного литья 14,0 ХМо, W - 4,5 - ZNb, Al, Ti = 10,5 4,5 4,0 5,0 - - 5,5 2,85 9,8 1,8 10,3 - 1,0 5,6 2,4 9.5 1,0 12,0 - 1,6 5,5 1,1 1,2 Сплавы для направленной кристаллизации 6.6 3,5 1,4 - 0,8 5,3 4,5 8,5 1,1 11,9 - 1,7 5,9 0,9 8,5 XMo,W=12,5 - 2Nb, Al, Ti = 8,5 0,8 9,0 1,0 8,5 4,0 1,6 5,9 4,0 Сплавы с эвтектической структурой для направленной кристаллизации с естественно-композиционным упрочнением 9,0 0,8 12,0 - 4,2 6,2 9,0 - 12,0 - 4,0 6,2 Сплавы для монокристаллического литья 7,5 0,6 11,7 - 1,1 5,1 9,0 1,2 11,7 - 1,1 5,8 0,5 4,2 7,0 7,0 0,2 5,3 1,8 1,1 0,1 4,0 2,0
ШПШШ т iiiii яшяШг^шкт^Шлят shut ■>шашт1Ш'Ш:}шяш,1:1М »т тыш шш Iilii 11111 ШШШШ8^ тшттшт&тшш. тттшт^шттг 1Ш; Ш Ш- .., ,.. ,. , ,..., , „...iiiiiii- щ ''^^^^^Ш^МШш^ЖШШШШ^^Ш^ •'щщт «1 ж ш ш щ1щшШ1ЩШшВШ№Щш Ш:ШИ1 ?;|||:;||Ш:::|| §Ш0ШН 3^fMlH№ii ш 1 т IS^^^^^^^S^^^^K'^S ■г: 111 Sil Ipl ш я ж ill iiigtfiiiii ВИР1 II Ш! Ill 111
ЛИТЕЙНЫЕ ЖАРОПРОЧНЫЕ СПЛАВЫ Н ПОКРЫТИЯ леднее обстоятельство и позволило сделать вывод о возможности значительного повышения длительной прочности за счет «удаления» из структуры материала поперечных составляющих границ зерен. Данная цель была достигнута применением в технологии литья лопаток метода направленной кристаллизации, позволяющей сформировать в отливке структуру, состоящую из столбчатых зерен, границы которых в основном параллельны направлению главных растягивающих напряжений. На первых порах для направленной кристаллизации лопаток использовался сплав ЖС6-Ф, разработанный для равноосного литья. Однако результаты длительной эксплуатации лопаток из этого сплава показали, что для реализации потенциальных возможностей столбчатой структуры следует создавать жаропрочные сплавы со специальным легированием. В итоге были созданы жаропрочные сплавы ЖС26, ЖСЗО, ЖС32 (см. табл. 1), которые обеспечили дальнейшее повышение характеристик жаропрочности турбинных лопаток. Сравнительный анализ показал, что по свойствам отечественные сплавы с направленной (столбчатой) структурой ЖС6-Ф, ЖС26 и ЖСЗО (СТ. Кишкин, К.Я. Шпунт, В.В. Сидоров, Г.И. Соболев и др.) не уступают зарубежным сплавам аналогичного назначения MAR M 200, MAR M 247 и др. При этом отечественный жаропрочный сплав для направленной кристаллизации ЖС32, содержащий 4% Re (C.T. Кишкин, Г. М. Глезер, С. Г. Морозова и др.), создан раньше зарубежных аналогов и среди сплавов этого класса является наиболее жаропрочным (см. табл. 2). Процесс литья в низкоградиентных печах направленной кристаллизации типа ПМП-2 часто сопровождался появлением на отливках ростового дефекта «струйчатая ликвация», имеющего вид вертикальных полос, состоящих из равноосных зерен. Для предотвращения их возникновения на системы легирования сплавов для направленной кристаллизации накладывались определенные ограничения по соотношению содержания элементов, концентрирующихся преимущественно в осях дендритов (W, Re) и в междендритных участках (Ti, Та, Nb). Однако промышленное освоение разработанного в ВИАМ процесса высокоградиентной направленной кристаллизации в печах с жидкометалли- ческим охладителем УВНК-9, УВНС-5, УВНК-12, УВНК-14 (Е.Н. Каб- лов, В.В. Герасимов, И.М. Демонис, Ю.А. Бондаренко) позволило снять эти ограничения, поскольку дефекты такого типа при использовании этой технологии практически полностью отсутствуют. Следующим этапом развития метода направленной кристаллизации и совершенствования структуры жаропрочных сплавов стало получение 53
ГЛАВА 2 <<а>> %8>" >*jgiS»'>' 3g» монокристаллических турбинных лопаток ГТД. Повышение прочностных характеристик в монокристаллических структурах может быть достигнуто не только за счет полного устранения болыыеугловых границ, но и путем выбора оптимальной кристаллографической ориентации относительно действующих напряжений. С учетом этой возможности в ВИАМ была разработана промышленная технология монокристаллического литья, основанная на применении затравок из сплава системы Ni—W в комбинации с кристаллоотборником (Е.Н. Каблов, В.Н. Толораия) и пригодная для использования в установках направленной кристаллизации любого типа. Исследование анизотропии механических свойств монокристаллов сплавов традиционного легирования (т.е. с В, Zr, С) ЖС6-Ф, ЖС32 (Е. Р. Голубовский, В. Н. Толораия, И. Л. Светлов) показало, что при ориентации [001] значительного выигрыша в длительной и кратковременной прочности (по сравнению с однонаправленной структурой) не наблюдается, за исключением уменьшения разброса свойств вследствие более точной ориентации образцов. Значительный выигрыш в прочностных характеристиках данных сплавов достигается при ориентации [111]. Так, для сплава ЖС32 предел длительной прочности о1^ ПРИ ориентации [001] и [111] составляет 255 и 285 МПа соответственно, а предел выносливости а9^° (на базе 2 • 107 циклов) при тех же ориентациях 350 и 440 МПа соответственно. Величина анизотропии свойств жаропрочных сплавов во многом определяется количеством и морфологией упрочняющей /-фазы, т. е. системой легирования и режимами термообработки сплавов. Несмотря на преимущества в прочностных характеристиках монокристаллов ориентации [111] (по сравнению с [001]), наибольшее применение в промышленности получила технология монокристаллического литья охлаждаемых лопаток с кристаллографической ориентацией [001] — модуль упругости таких монокристаллов в два раза меньше и, следовательно, уровень возникающих при эксплуатации лопаток термических напряжений ниже. Значительное превышение свойств (по сравнению с однонаправленными структурами) при ориентации [001] было достигнуто только после разработки сплавов со специальным легированием, предназначенных только для монокристаллического литья. Прежде всего из состава таких сплавов были исключены легирующие элементы — упрочнители границ зерен: В, Zr, С. В результате этого значительно повышается температура солидус сплава (до 1300°С и выше) что, в свою очередь, позволяет использовать композиции сплавов с более высокой температурой растворения у-фазы. Кроме того, повышаются характеристики выносливости 54
ЛИТЕЙНЫЕ ЖАРОПРОЧНЫЕ СПЛАВЫ И ПОКРЫТИЯ сплава, поскольку в структуре отсутствуют МеС — карбиды, с микротрещин на которых начинается усталостное разрушение. Термическая обработка монокристаллических сплавов характеризуется высокотемпературным гомогенизирующим отжигом, при котором происходит не только растворение упрочняющей /-фазы, но и практически полное растворение ее неравновесных эвтектических выделений, а также максимально возможное уменьшение дендритной ликвационнои неоднородности. После гомогенизации проводится закалка с высокой скоростью охлаждения (> 100 К/мин) и, обычно, двухступенчатое старение при температурах —1050 и ~900°С. В результате такой термообработки структура сплава состоит из равномерно и упорядоченно расположенных вдоль направлений <001> у-матрицы кубических частиц упрочняющей У-фазы размером 0,4—0,5 мкм. Следует отметить, что именно такая термообработка, помимо собственно состава, обеспечивает высокие прочностные свойства монокристаллического сплава. Первым отечественным сплавом данного класса стал сплав ЖС30М (СТ. Кишкин, К.Я. Шпунт и др.). Этот сплав практически по всем прочностным характеристикам превосходит «однонаправленный» прототип — сплав ЖС30 и не уступает своим зарубежным аналогам — сплавам CMSX-2 и CMSX-3. Уровень жаропрочности этих сплавов составляет а1(Х = 220-230 МПа. В последнее десятилетие определились в основном два направления в легировании жаропрочных сплавов для монокристаллического литья турбинных лопаток. Первое базируется на изучении жаропрочных никелевых сплавов системы Ni—Al—Cr—W—Та—Мо типа ЖС40 (И. Л. Светлов, Н.В. Петрушин и др.). Их упрочнение достигается легированием молибденом и оптимальным соотношением концентраций вольфрама и тантала (близким к 1), что обеспечивает предельное легирование у-твер- дого раствора и Y-фазы. По уровню жаропрочности при 1000°С на базе испытаний > 500 ч монокристаллический сплав ЖС40 превосходит легированные рением отечественный сплав ЖС32 и широко известный зарубежный монокристаллический сплав CMSX-4. Основой другого направления разработки монокристаллических жаропрочных сплавов явилось использование в качестве легирующего элемента рения. По данным фазового физико-химического анализа (Г. И. Морозова), рений в сплавах этой системы концентрируется в основном в никелевом у-твердом растворе; его коэффициент распределения между /- и у-фазами весьма низок (KRq = CJC' « 0,1). Фундаментальное значение имеют полученные в ВИАМ результаты исследований по влиянию 55
ГЛАВА 2 <"»><8»>"J^> fjfr рения на физико-химические, структурные и механические характеристики никелевых жаропрочных сплавов (Е. Н. Каблов, Н. В. Петрушин, Л. Б. Василенок, Г. И. Морозова и др.). Эти результаты позволили сделать определенное заключение о механизме повышения жаропрочности ренийсодержащих никелевых сплавов, который связан с увеличением температуры солидус сплава, повышенной растворимостью рения в у-твер- дом растворе, перераспределением легирующих элементов (прежде всего вольфрама) между у-, у- и МеС-фазами, увеличением периода кристаллической решетки у-фазы. Следствием этого является снижение диффузионной подвижности атомов в матрице у-твердого раствора и по структурным поверхностям раздела, что в свою очередь тормозит коагуляцию высокодисперсных частиц /-фазы, образование субзеренной структуры и ее коалесценцию при высоких температурах. В результате значительно повышается длительная прочность и работоспособность жаропрочных никелевых сплавов при высоких температурах и напряжениях. Указанное направление к настоящему времени стало основным в развитии монокристаллических жаропрочных сплавов. В значительной мере это преимущество ренийсодержащих монокристаллических сплавов удалось реализовать в первом отечественном жаропрочном сплаве второго поколения для монокристаллического литья ЖС36 (СТ. Кишкин, Н.Г. Орехов, Е.А. Кулешова и др.). (По принятой классификации монокристаллические сплавы без рения типа ЖСЗОМ относят к первому поколению, с содержанием Re = 2—3% — ко второму, с 6% Re — к третьему.) Уровень свойств сплава ЖС36, легированного 2% Re, такой же, как у сплава ЖС32, легированного 4% Re: o1^ =255 МПа, что соответствует также свойствам зарубежных аналогов CMSX-4, Rene N5 (см. табл. 2). Сплавы второго поколения с 2—3 % Re в целом достаточно структурно стабильны относительно выделений ТПУ фаз. Однако, как показали исследования образцов сплава ЖС36 [001], разрушенных при испытаниях на длительную прочность при 1000°С и базе -2500 ч, проведенные методом микрорентгеноспектрального анализа (МРСА), в осях дендритов 1-го и 2-го порядков наблюдаются отдельные тонкие пластинчатые выделения ТПУ фазы, обогащенной Ni,W, Re (В. Н. Толораия, Е. Б. Чабина). Возникновение их связано с остаточной дендритной лик- вационной неоднородностью, не устраненной в процессе гомогенизирующего отжига. Поскольку W и Re относятся к элементам с малой диффузионной подвижностью и в никелевом твердом растворе имеют большие отрицательные коэфициенты ликвации (А^«—2,7, К^**— 4), они 56
ЛИТЕЙНЫЕ ЖАРОПРОЧНЫЕ СПЛАВЫ И ПОКРЫТИЯ концентрируются в осях дендритов, и эти неоднородности трудно устранить при термообработке. Рений сам по себе не образует с никелем каких-либо промежуточных фаз, поэтому для образования ТПУ фазы обязательно нужно присутствие в сплаве элемента VI группы, в данном случае вольфрама. В связи с этим выбор режимов термообработки для ренийсодержащих жаропрочных сплавов приобретает особое значение, поскольку во многом определяет их структурную стабильность. При разработке в ВИАМ нового сплава для монокристаллического литья за основу было взято предположение, что в первом приближении структурную стабильность можно оценить в зависимости от произведения суммы атомных концентраций Сг, Mo, W на концентрацию Re, т. е. [W + Mo + Cr]x[Re]. В соответствии с этим при постоянной сумме Re + W = 12—14% стабильные составы будут находиться в области малого содержания рения и высокого содержания вольфрама (сплав ЖС36: 2 % Re, 11 % W) и в области с высоким содержанием рения и малым содержанием вольфрама, т.е. 2%W и (9—10)% Re. Но при этом, учитывая высокую стоимость рения, необходимо было получить увеличение прочностных свойств, соответствующее повышению его содержания. Введение в сплав 1 % Re обеспечивает повышение жаропрочности никелевых литейных сплавов на -15 МПа (а1^ ). Такая тенденция устойчиво сохраняется до содержания рения ~6% (сплавы Rene N6, CMSX-10). Таким образом, если такая тенденция будет сохраняться при дальнейшем увеличении содержания рения в сплавах, то такой вариант легирования можно считать экономически обоснованным, несмотря на высокую стоимость рения (-1000—1500 долл. за 1 кг). С учетом сказанного, в ВИАМ был разработан опытный жаропрочный сплав ЖС55 с ~9%Re (Е.Н. Каблов, В. Н. Толораия, Н.Г. Орехов) со следующими характеристиками жаропрочности (для ориентации [001]): а100 при температурах 900, 1000 и 1100°С составляет 500-600; 350-360 и 180—190 МПа соответственно. Этот сплав по уровню свойств существенно превосходит известные зарубежные ренийсодержащие сплавы третьего поколения (CMSX-10, Rene N6 и др.), имеющие жаропрочность q1?oo = 300—310 МПа. По уровню свойств и по содержанию рения ЖС55 можно отнести к новому, четвертому поколению сплавов для монокристаллического литья. Принципы создания жаропрочных сплавов, предназначенных для турбинных лопаток авиационных ГТД, были использованы при разработке коррозионностойких жаропрочных сплавов для турбинных лопаток стационарных энергетических и газоперекачивающих ГТУ. В част- 57
ГЛАВА 2 *s»>^>^> ip ности, были разработаны сплавы ЖСКС-1 и ЖСКС-2, предназначенные для литья лопаток ГТУ (в том числе и крупногабаритных) методом направленной кристаллизации (Е. Н. Каблов, Н. Г. Орехов, В. Н. Толо- раия). Эти сплавы имеют коррозионную стойкость на уровне сплавов типа ЦНК-7, ЧС-70, по длительной прочности соответствуют жаропрочным сплавам авиационного назначения: ЖСКС-1 — сплаву ЖС6У, ЖСКС-2, легированный 1% Re, — сплаву ЖС26. Одним из перспективных направлений повышения рабочих температур турбинных лопаток явилось создание жаропрочных материалов с естественно-композиционной структурой y/Y-MeC: сплавов ВКЛС-10, ВКЛС-20, ВКЛС-20Р, получаемых направленной кристаллизацией (СТ. Кишкин, И.Л. Светлов, Н.В. Петрушин и др.). При их создании применен комбинированный принцип упрочнения никелевой у-матрицы, сочетающий твердорастворное упрочнение тугоплавкими металлами (Мо, W, Re), дисперсионное упрочнение частицами /-фазы и композиционное - нитевидными кристаллами (волокнами) на основе монокарбида NbC. Среди никелевых жаропрочных сплавов эвтектические жаропрочные сплавы имеют наиболее высокие значения характеристик жаропрочности (см. табл. 2) и рабочих температур. Однако их практическое применение сдерживается из-за большой продолжительности процесса направленной кристаллизации, связанной с малой скоростью формирования композиционной структуры отливки: 5—6 мм/ч, т. е. почти на два порядка ниже, чем при росте монокристаллов никелевых жаропрочных сплавов. Полученные к настоящему времени в ВИАМ и за рубежом новые принципиальные результаты позволяют считать, что никелевые жаропрочные сплавы для монокристаллического литья еще долго сохранят свое лидирующее положение в качестве материала турбинных лопаток. УДК 629.7.03-226.2 Е.Н. Каблов, И.М. Демонис ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ЛИТЬЯ ЛОПАТОК ГТД* Многолетний опыт работы ВИАМ подтвердил, что создание новых материалов и их освоение в производстве неразрывно связано с разрабо- В работе принимали участие: Ю. А. Бондаренко, В. В. Деев, В. В. Герасимов, Е. М. Ви- сик, В. Н. Толораия, Н.Г. Орехов, Ю. И. Фоломейкин, И. Л. Светлов, В. Г. Чубаров. 58
ЛИТЕЙНЫЕ ЖАРОПРОЧНЫЕ СПЛАВЫ И ПОКРЫТИЯ ткой новых технологических процессов и оборудования для изготовления ответственных деталей авиакосмической техники. Выполняя комплексные научно-технические разработки, сотрудники института создают новые литейные жаропрочные сплавы, опытно-промышленные технологии, конструируют и изготовляют специализированное плавильно-зали- вочное оборудование для литья лопаток ГТД. В 1980—1990 годы были разработаны технологические процессы литья лопаток, обеспечивающие повышение служебных характеристик газотурбинных двигателей путем управления процессом структурообразо- вания при кристаллизации отливок. Наиболее широкое применение при изготовлении отливок лопаток ГТД и ГТУ на моторостроительных заводах авиационной, судостроительной и газоперекачивающей промышленности нашли следующие разработки ВИАМ [1]. Технологический процесс литья рабочих и сопловых лопаток с поверхностным и двухсторонним модифицированием алюминатом кобальта освоен и внедрен при производстве двигателей Р-29-300, Р-35, РД-33, АЛ-21Ф-3, АЛ-31Ф, ПС-90, Д075, М70, Р-79-300, ТВ7-117С и др. Процесс позволил получить лопатки с однородной мелкозернистой (0,1—0,2 мм) макроструктурой, в которой структурные составляющие сплавов имеют более тонкое строение с высокой степенью однородности распределения легирующих элементов. В этом случае наблюдается уменьшение объемной доли микропористости, границы зерен приобретают более качественную и совершенную форму. Применение этого процесса позволило существенно повысить и стабилизировать уровень основных характеристик сплавов, в первую очередь предела выносливости (табл. 1) и термостойкости (с 1800 до 2600 термоциклов по режиму 1000 <->200 °С), что обеспечило увеличение ресурса лопаток в 3—5 раз. Технологический процесс литья лопаток ГТД из жаропрочных сплавов с направленной и монокристаллической структурой на установках типа УВНК-8П освоен и внедрен при производстве изделий РД-33, АЛ-31Ф, АЛ-41, Д-36, Д18, Д-436ТП, Д-27, АЛ-31-СТ и др. Применение жидкометаллического охладителя вместо традиционно используемого радиационного охлаждения, широко применяемого за рубежом и в России на установках типа ПМП, позволило изготовлять лопатки с направленной и монокристаллической структурами в условиях повышенного температурного градиента. Высокий уровень служебных характеристик этих лопаток, в отличие от свойств лопаток, отлитых в условиях радиационного охлаждения, обеспечивается характерными для этих лопаток структурными особенностями: отсутствием поверхностных 59
ГЛАВА 2 ^>3> У»^> 3fr Таблица 1 Предел выносливости сллава ЖС6У (при 20 °С на базе 2*108 циклов) Технологический Наноструктура м_ Характер процесс поверхности а-*» a разрушения Литье без модифициро- Поликристаллическая, 140-150 С внутренней вания неоднородная поверхности (размер зерна 2-25 мм) Литье с поверхностным Поликристаллическая, 170—180 То же модифицированием однородная (размер зерна 0,5-1 мм) Литье с двухсторонним Поликристаллическая, 230-240 С внешней модифицированием однородная на внутренней поверхности и внешней поверхностях (размер зерна 0,5-1 мм) карбидов и дефектов типа freckles, пониженной микропористостью, высокой дисперсностью структурных составляющих, кристаллографической ориентацией в наиболее выгодном направлении, малой степенью ликвации и др. Для реализации этого технологического процесса были разработаны новые составы и технология изготовления керамических стержней и оболочковых форм, обеспечивающие литье лопаток с высокой геометрической точностью при температурах заливки до 1650°С. В ВИАМ разработаны, изготовлены и внедрены в серийное производство усовершенствованные вакуумные плавильно-заливочные установки полунепрерывного действия типа УВНК-9, УВНК-14, а также установка УВНК-12 непрерывного действия. Новейшей перспективной технологической разработкой, выполненной в последнее время авторами совместно с сотрудниками ВИАМ (канд. техн. наук Ю.А. Бондаренко, канд. техн. наук В. В. Деев, В. Н. Толораия, канд. техн. наук Н.Г. Орехов, Ю.И. Фоломейкин, канд. техн. наук В. В. Герасимов, докт. техн. наук И. Л. Светлов), является высокоградиентный технологический процесс литья монокристаллических лопаток с высокой степенью структурного совершенства и транспирационной (проникающей) системой охлаждения. Применение этих лопаток из новых высокорениевых жаропрочных сплавов позволит создать газотурбинные «стехиометрические» двигатели 6-го поколения с предельной температурой газа перед турбиной до 2200 К и отношением тяги к массе до 20. 60
литейные жаропрочные сплавы и покрытия ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ВЫСОКОГРАДИЕНТНОГО ЛИТЬЯ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ЛОПАТОК НА УСТАНОВКЕ УВНС-4 За рубежом при производстве лопаток ГТД с монокристаллической и направленной структурой из жаропрочных сплавов получил развитие процесс направленной кристаллизации по методу Бриджмена. В России для получения лопаток ГТД широко применяются проходные методические печи типа ПМП и печи с жидкометаллическим охладителем типа УВНК-8П (конструкция ВИАМ) [1]. В табл. 2 приведены основные технологические параметры указанных процессов направленной кристаллизации: температурный градиент на фронте кристаллизации GL и скорость кристаллизации R, а также размеры структурных составляющих жаропрочных сплавов (междендритное расстояние X, размеры частиц эвтектической и карбидной фаз dY'3BT и dK б соответственно, объемная доля пористости Vn). Как показывают приведенные данные, совершенствование процесса направленной кристаллизации путем использования жидкометаллического охладителя обеспечило уменьшение дендритных составляющих структуры, размера частиц эвтектики, размера карбидов, а также уменьшение пористости и, как следствие, способствовало повышению служебных характеристик жаропрочного сплава. Последующие исследования, направленные на поиск оптимальных параметров процесса направленной кристаллизации, проведенные в Таблица 2 Основные технологические параметры процессов направленной кристаллизации и некоторые структурные характеристики лопаток Способ литья с жидкометаллическвм Параметр с радиационным охлаждением охладителем на установках по методу Бриджмена на установке УВНК-9 УВНС-4 GL К/см R, мм/мин X, мкм dfam, ш 4орб, ш rw% (США) 20-30 4-5 300 8 1,8 0,25 ПМП (Россия) 10-20 3-4 500 10 2 0,80 50-70 4-5 250 6 1,0 0,17 200-250 4-5 160 £5 £0,5 0,04 61
ГЛАВА 2 «е»>» %»' >^> »5^ ВИАМ, позволили установить, что повышение температурного градиента на фронте кристаллизации в условиях дендритного роста способствует получению более качественной структуры жаропрочных сплавов. Природу этого эффекта можно объяснить следующим образом. В условиях дендритного роста при направленной кристаллизации жаропрочных сплавов перед фронтом кристаллизации существует жидкотвердая область, состоящая из закристаллизовавшихся осей дендритов, ориентированных в направлении роста, и расплава, сосредоточенного в междендритном пространстве. Размер этой области зависит от температурного интервала кристаллизации жаропрочного сплава и температурного градиента на фронте кристаллизации. При направленной кристаллизации с невысоким температурным градиентом по существующим промышленным технологиям за рубежом и в России (G~ 10—30 К/см) размер жидкотвердой области достаточно велик (десятки миллиметров). Из-за перекрытия дендритных каналов осями второго порядка течение расплава в дендритных каналах затруднено. Вследствие различия модярных объемов жидкой и твердой фаз, в основании дендритов формируются междендритные поры. Высокоградиентный способ направленной кристаллизации обеспечивает существенное уменьшение размера жидкотвердой области перед фронтом кристаллизации. Это облегчает подпитку расплавом основания дендритов и соответственно способствует уменьшению размера междендритных пор. Повышение температурного градиента на фронте кристаллизации способствует также получению более однородной структуры жаропрочного сплава с меньшим расстоянием между осями дендритов, меньшей дендритной ликвацией, меньшими размерами упрочняющих фаз. Кроме того, при высоких значениях G подавляется процесс образования легкоплавких неравновесных фаз. На рис. 1 показаны характерные микроструктуры жаропрочного сплава, полученного по промышленной технологии за рубежом (рис. 1, а) и методом высокоградиентной технологии (G > 200 К/см) в ВИАМ (рис. 1, б). Хорошо видно, что в условиях высокоградиентной направленной кристаллизации формируется более однородная, тонкодендритная структура, размер составляющих которой уменьшился в несколько раз. При исследовании диффузионных характеристик жаропрочного сплава, проведенном с помощью авторадиографического анализа с применением радиоактивного изотопа 63Ni, установлено, что высокоградиентная направленная кристаллизация обеспечивает создание структуры, диффузионная проницаемость которой уменьшается вдвое. Это свидетельствует о повышении термической стабильности и снижении темпов разуп- 62
литейные жаропрочные сплавы н покрытия Рис. 1. Микроструктура (хЮО) жаропрочного сплава (монокристаллы с ориентацией [001]) в зависимости от температурного градиента на фронте кристаллизации: а - 30 К/см; б - > 200 К/см рочнения жаропрочного сплава, получаемого высокоградиентной направленной кристаллизацией. Оценка комплекса свойств жаропрочных сплавов показала, что применение высокоградиентной направленной кристаллизации для литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе обеспечивает повышение прочностных характеристик на 10—15% и усталостных — на 25—30%. Для интерметаллидных (на основе Ni3Al) экономнолегированных тугоплавкими элементами жаропрочных сплавов с более низкой плотностью (7,8—7,9 г/см3) высокоградиентная направленная кристаллизация обеспечивает повышение рабочих характеристик до уровня свойств промышленных жаропрочных сплавов (с более высокой плотностью 8,6 г/см3 и в 1,5 раза большей стоимостью). Применение этого процесса при получении лопаток газотурбинных двигателей из эвтектических жаропрочных сплавов повышает уровень жаропрочности (в 1,5—2 раза) и одновременно — сопротивление усталостным нагружениям (на 30—40%). В результате проведенных в ВИАМ исследований разработана промышленная технология высокоградиентной направленной кристаллизации, включающая в себя процесс изготовления высокоогнеупорных керамических форм на основе А1203 и бескремнеземного связующего. Создана специализированная высокоградиентная печь УВНЭС-4, конструкция теплового узла которой, а также способ высокоградиентной направленной кристаллизации защищены патентами Российской Федерации. 63
ГЛАВА 2 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ЛИТЬЯ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ЛОПАТОК С ВЫСОКОЙ СТЕПЕНЬЮ СТРУКТУРНОГО СОВЕРШЕНСТВА Повышение эксплуатационных характеристик лопаток достигается созданием оптимальной кристаллографической ориентации монокристаллической структуры относительно действующих в лопатке механических и термических напряжений. Технология монокристаллического литья, широко применяемая за рубежом, основана на отборе с помощью специальных кристаллоотбор- ников из множества столбчатых зерен одного кристалла с аксиальной текстурой <001>. Наиболее распространенная за рубежом конструкция кристаллоотборника представляет собой спиральный литниковый ход, выполненный в форме между стартовой полостью, где формируются столбчатые зерна, и полостью самой отливки турбинной лопатки (рис. 2, в). Технология позволяет получать отливки только с ориентацией [001] с точностью а[001] = 10—15 град. Азимутальную ориентацию, так же как и отличные от [001] аксиальные ориентации, регламентировать в данной технологии практически невозможно. Отечественная технология получения монокристаллических отливок, разработанная в ВИАМ, основана на использовании затравок с температурой плавления на 120—150 °С выше, чем температура ликвидус жаропрочного сплава отливки. В частности, для этой цели используется бинарный сплав никеля с вольфрамом, поскольку легирование последним в области у-твердого раствора обеспечивает повышение температуры плавления никеля до ~1520°С при содержании вольфрама -14% (ат.) [35% (по массе)]. Затравочный метод позволяет получить отливки любой заданной ориентации — как аксиальной, так и азимутальной. Относительно малые размеры тугоплавких затравок позволяют размещать их под любым заданным углом к оси отливки и выполнять затравочную полость соответствующей конфигурации, а также дают возможность от затравки одной ориентации, например [001], путем изменения ее положения получать отливки с разными аксиальными ориен- тациями: [001], [111], [112]. Анализ серийной технологии монокристаллического литья в печах УВНК-8П с применением Ni—W затравок показал, что наряду с лопатками достаточно высокой для дендритно-ячеистой структуры степенью совершенства (Даг001] = 1—1,5 град) встречаются лопатки с расширенным рентгеноструктурным рефлексом, состоящим из нескольких «пиков» 64
ЛИТЕЙНЫЕ ЖАРОПРОЧНЫЕ СПЛАВЫ Н ПОКРЫТИЯ (рис. 2, а). Наличие «сложных» рефлексов указывает на присутствие в отливке фрагментов, блоков или субзерен, размеры которых сравнимы с размерами самой отливки. Величина Да в монокристаллах может достигать 3—5 град. Следует отметить, что разориентация в таких пределах незначительно сказывается на эксплуатационных характеристиках лопаток. Так, по техническим условиям зарубежных фирм в монокристаллических отливках допускается разориентация блоков или субзерен Да = 6—8 град. Однако разориентация крупного блока (> 2 град) делает его видимым при визуальном контроле, в результате чего отливки бракуются — выход годного, естественно, снижается. Введение в технологию определения раз- ориентации субзерен хотя и возможно, но связано с повышением сложности и увеличением продолжительности аттестации отливок турбинных лопаток. Исследования показали, что механизм возникновения разориентации на стадии зарождения связан с образованием на рабочем торце затравки налетов оксидного характера при нагреве формы под заливку. В результате контакт расплава металла и затравки становится неполным, что и ведет к возникновению крупных субзерен. Кроме того, в отливке может наследоваться блочность самого затравочного кристалла. С учетом изложенного, была предложена комбинированная технология [2], в и W Затравка \^ш/ Вставка - кристалле»- отборник Затравка 1л I Да * 2-5 L Вставка - кристалло отборник Водоохлаждаемый г * ХОЛОДИЛЬНИК а<нкь» фад a<HKL» фад а<нкь» фад Рис. 2. Уровень структурного совершенства (а — отклонение азимутальной ориентации; Да — величина рентгеноструктурного рефлекса) монокристаллических лопаток для различных конструкций стартовой зоны: а - с применением затравки из сплава никеля и вольфрама; б — комбинированный метод затравка—кристаллоотборник; в - зарубежный метод с кристаллоотборником 5 - 5961 65
которой используется затравка из сплава Ni—W и кристаллоотборник типа «геликоид» (рис 2, б). Такая технология сохраняет все преимущества затравочной технологии и обеспечивает получение совершенной монокристаллической структуры, характерной для метода отбора. При разработке конструкции кристаллоотборника учитывались требования и особенности, которые возникают при его совместной работе с затравкой. Во-первых, в отличие от зарубежной технологии, когда отбирается одно зерно из множества столбчатых зерен (см. рис. 2, в), в данном случае необходимо отобрать одно субзерно из затравочного кристалла, если последний оказывается блочным. Во-вторых, кристаллоотборник должен предотвратить или хотя бы существенно снизить интенсивность образования на поверхности затравки пленок—конденсатов. И, наконец, в-третьих, конструкция и размеры кристаллоотборника должны органично вписаться в габариты отработанной конструкции литейной формы, с минимальной переделкой последней. На рис. 2, б представлена конфигурация затравочной полости литейной формы, выполненной по комбинированному варианту. Над полостью с затравкой располагается полость для размещения кристаллоотборника. Сам кристаллоотборник представляет собой цилиндрическую вставку диаметром —8—10 мм и высотой —10—12 мм, в центре которой выполнен спиральный литниковый ход диаметром 1,8—2 мм. Эта вставка выполняется из керамических масс методом прессования с последующим обжигом. Вставка—кристаллоотборник устанавливается в форму, затем на нее помещается затравка, которая фиксируется керамической массой. Результаты внедрения показали, что «комбинированная» технология монокристаллического литья обеспечивает высокий выход годного в результате повышения структурного совершенства зародившегося от затравки монокристалла, что подтверждается достаточно малой для дендритно- ячеистой структуры угловой шириной рентгеновского рефлекса от него. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ЛИТЬЯ ЛОПАТОК С ТРАНСПИРАЦИОННОЙ (ПРОНИКАЮЩЕЙ) СИСТЕМОЙ ОХЛАЖДЕНИЯ Ведущие моторостроительные фирмы США и Великобритании активно разрабатывают транспирационный способ охлаждения высокотемпературных лопаток авиационных ГТД. Основной замысел рассматриваемого способа — создание дополнительных элементов системы охлаждения непосредственно в стенке ло- 66
ЛИТЕЙНЫЕ ЖАРОПРОЧНЫЕ СПЛАВЫ Н ПОКРЫТИЯ патки. При этом чем ближе указанные элементы расположены к наружной поверхности пера лопатки, тем выше эффективность теплоотбора через ее стенку (обычно толщиной -0,5 мм). В зависимости от температурного режима работы двигателя, конструктивных особенностей лопатки, технологических возможностей ее производства и экономической целесообразности существуют различные схемы реализации способа проникающего охлаждения. Следует при этом отметить, что во всех случаях используется сочетание способов охлаждения: для входной кромки предусматривается пленочный способ, для выходной — конвективный, а спинка и корыто имеют проникающее охлаждение. Соответственно общим признаком для всех конструктивных решений проникающего охлаждения является двойная стенка пера на спинке и корыте, разделенная сплошной полостью либо отдельными радиальными каналами. Внутренняя «холодная» стенка, которая является несущей, имеет ряды калиброванных отверстий для циркуляции охлаждающего воздуха, а на внешнюю горячую поверхность воздух выпускается через выходные отверстия. В ВИАМ разработана и запатентована оригинальная технология изготовления составного стержня для отливок с проникающей системой охлаждения [3]. Составной стержень (рис. 3) состоит из основного керамического стержня (рис. 3, а), который прессуют по стандартной технологии, и соединенных с ним мини-стержней (рис. 3, б), формирующих при литье радиальные каналы, а также входные и выходные отверстия в стенке лопатки. Мини-стержень представляет собой рамку трапецеидальной формы, внутри которой имеется тонкая перегородка 7, соединенная с обеих сторон цилиндрическими перемычками 2 с боковыми стенками рамки 3 (оси перемычек смещены одна относительно другой). Мини-стержни соединяются с основным стержнем с помощью шлицев. Такие соединения обеспечивают строгую фиксацию основного стержня в оболочковой форме и гарантируют постоянство толщины стенки по всему периметру лопатки. В то же время скользящая посадка мини- стержней в шлицевых пазах основного стержня допускает небольшие относительные смещения в случае возникновения температурных градиентов на разных подготовительных стадиях или в процессе литья, например при удалении модельной массы, обжиге формы, заливке металла в форму и собственно направленной кристаллизации. Кроме того, рамочная конструкция обеспечивает необходимую жесткость и формоустойчи- вость мини-стержней как при обжиге, так и при литье. Сводятся к минимуму такие дефекты, как коробление при обжиге или обламыва- 5* 67
ние тонких перемычек при заливке расплава и кристаллизации. Все эти обстоятельства позволяют получать отливки лопаток с высоким выходом годного и качественной поверхностью, не требующей последующей механической обработки. Дальнейшие операции (изготовление моделей и оболочковой формы, направленная кристаллизация, удаление стержня) соответствуют стандартной технологии точного литья. Направленную кристаллизацию лопаток с проникающим охлаждением наиболее целесообразно проводить в высокоградиентных печах. Эта рекомендация имеет следующее физическое обоснование. При направленной кристаллизации по методу Бриджмена междендритное расстояние составляет 350—400 мкм, что срав- а б в Рис. 3. Конструкция основного стержня (а), мини-стержня (б: 1, 2, 3 — перегородка, перемычки и боковые стенки рамки—стержня) и составного стержня (в) 68
ЛИТЕЙНЫЕ ЖАРОПРОЧНЫЕ СПЛАВЫ И ПОКРЫТИЯ нимо с толщиной стенки лопатки (500 мкм), — в результате в стенке помещается всего один ряд дендритов. Направленная кристаллизация в высокоградиентных печах приводит к уменьшению междендритного расстояния в 2—3 раза — таким образом, количество дендритов на единицу площади возрастает в 4—9 раз. Положительным следствием этого является также возможность ускоренного устранения дендритной ликвации при последующей термической обработке за счет сокращения путей диффузионного массопереноса. Наряду с этим, как было отмечено выше, это способствует уменьшению микропористости в теле отливки. По данной технологии были изготовлены и испытаны в ЦИАМ имитационные трубчатые образцы с системой аксиальных каналов прямоугольного сечения, имеющих входные и выходные отверстия, а также модельные лопатки газогенератора конструкции ВИАМ—ЦИАМ (рис. 4). Применение мини-стержней для лопаток сложной конфигурации профиля и с малой толщиной стенки (< 1,2 мм) оказалось крайне затруднительным. В ВИАМ был разработан способ комбинированных стержней с применением «гибкой» керамики [4] — кера- мополимерного материала, способного огибать слож- нопрофильные поверхности без образования трещин и надрывов, фиксировать заданный профиль, а при высокотемпературной обработке переходить в твердое состояние. Гибкий керамо- полимерный стержень изготовляется методом Про- Рис 4 Модельная лопатка (поперечное и продоль- катки ИЛИ штамповки В ное сечение) конструкции ВИАМ-ЦИАМ 69
виде тонкой пластины с поверхностным рельефом (штырьками) и системой отверстий. Применение «гибкого» керамического стержня с двухсторонними штырьками позволяет эффективно воспроизводить проникающую систему охлаждения по входной кромке лопаток. Следует особо отметить, что выходные отверстия на внешней стороне лопаток по технологии ВИАМ оформляются в процессе литья, в то время как западные фирмы формируют их методом прожигания. В настоящее время совместно с ЦИАМ и конструкторскими бюро проводится работа по созданию и изготовлению монокристаллических лопаток с проникающей системой охлаждения для нового поколения авиационных и стационарных ГТД. Библиографический список 1. Каблов Е.Н. Литье лопаток газотурбинных двигателей. — М.: 'МИСИО. — 2001. — 631 с. 2. Каблов Е.Н. Производство турбинных лопаток ГТД методом направленной кристаллизации//Газотурбинные технологии, 2000, №3, с. 10—13. 3. Каблов Е.Н., Демонис И.М., Светлов И.Л., Фоломейкин Ю.И. Составной керамический стержень для литья полых охлаждаемых изделий. Пат. 2090299 (РФ), 1995. 4. Фоломейкин Ю.И., Светлов И.Л., Каблов Е.Н, Демонис КМ. Способ изготовления составного керамического стержня для литья полых изделий. Пат. 2126308 (РФ), 1998. УДК 629.7.03-226.2 Е.Н. Каблов, С.А. Мубояджян ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ ЛОПАТОК ТУРБИН ГТД В настоящее время практически все детали ГТД имеют защитные или упрочняющие покрытия, которые в значительной мере определяют ресурс и надежность ГТД, а также технологическое совершенство двигателя. Все ведущие двигателестроительные фирмы уделяют значительное внимание покрытиям, так как они во многом определяют «лицо» двигателя и его работоспособность. От типов покрытий и технологий их получения, номенклатуры покрытий в значительной мере зависят трудоемкость и технологичность изготовления двигателя и в конечном счете — стоимость его производства. В номенклатуре покрытий, используемых в ГТД, защитные покрытия лопаток турбины занимают особое положение. Эти покрытия работают при экстремально высоких температуре и уровне напряжения, 70
ЛИТЕЙНЫЕ ЖАРОПРОЧНЫЕ СПЛАВЫ Н ПОКРЫТИЯ поэтому к ним предъявляется комплекс требований: в первую очередь, высокие термостабильность и термостойкость в контакте с жаропрочным сплавом (ЖС) лопатки, а также высокое сопротивление образованию трещин термоусталости и высокая пластичность в широком интервале температур. Для ГТД 5-го и 6-го поколений рассматриваются монокристаллические лопатки из жаропрочных сплавов 2-го и 3-го поколений с транспирационной системой охлаждения, работоспособные при температуре газа на входе в турбину 1900—2200 (2400) К. Такие лопатки представляют собой «ажурные» конструкции со сложной системой внутренней полости и имеют охлаждающие каналы в стенке лопатки, сообщающиеся с воздухоподводящими каналами внутренней полости и газовым трактом двигателя системой отверстий размером ~ 0,5—1 мм, обеспечивающей эффективное внутреннее струйное и внешнее пленочное охлаждение наружной стенки лопатки. Толщина наружной трактовой стенки лопатки составляет ~ 0,5 мм, а несущей внутренней стенки ~ 1 мм. При такой конструкции лопаток турбины защита внутренней и внешней, трактовой, поверхностей лопатки от высокотемпературной газовой коррозии становится проблематичной. Анализ существующих методов получения защитных покрытий на внутренней полости лопаток применительно к лопаткам с транспирационной системой охлаждения показывает, что практически единственным методом получения таких покрытий является газовое циркуляционное осаждение, позволяющее формировать на поверхности жаропрочного сплава диффузионные алюминидные или хромоалюминидные слои [1]. Для получения качественных покрытий этим методом требуется тщательная подготовка под покрытие поверхностей внутренней полости и внутренних и внешних отверстий, заключающаяся в очистке поверхности от керамики и других неметаллических включений и ее обезжиривании с последующим контролем подготовки поверхности под покрытие. Диффузионные алюминидные слои на поверхности внутренней полости лопаток формируются по одностадийной (газовое циркуляционное алитирование — ГЦА) или двухстадийной технологии (никельхро- мирование + хромоалитирование). После ГЦА на поверхности жаропрочного сплава формируется диффузионный слой, внешняя зона которого по результатам рентгенострук- турного и микрорентгеноспектрального анализов состоит из NiAl [(3-фазы (20—24% (по массе) А1), легированной кобальтом и хромом]. Тугоплавкие элементы ЖС (W, Mo, Nb) концентрируются в диффузионной зоне, образуя карбиды и фазы сложного химического состава. Содержание 71
ГЛАВА 2 ^Ш!Ш1шИЙ^РИЯ^ЯШ; хрома во внешней зоне слоя определяется содержанием этого элемента в сплаве лопатки и, например, в сплавах ЖС26, ЖС26У составляет 2-2,5%, что объясняется малым содержанием хрома в ЖС. В процессе ГЦА реализуется малоактивный механизм формирования диффузионного слоя, когда покрытие формируется путем преимущественной диффузии никеля из ЖС через слой образующегося интерме- таллида. Толщина покрытия зависит от условий его формирования: температуры процесса и продолжительности насыщения. Увеличение температуры насыщения приводит к росту толщины покрытия без изменения механизма формирования слоя. При постоянной температуре насыщения рост слоя во времени подчиняется параболической зависимости. Качественный алитированный слой толщиной 30—40 мкм на жаропрочных никелевых сплавах обычно формируется при температуре 1000 °С за 3-4 ч выдержки. Алитированный слой, полученный газовым циркуляционным способом на наружных и внутренних поверхностях охлаждаемой лопатки, равномерный и однородный по составу, причем на поверхности внутренней полости наблюдается снижение толщины слоя (8) покрытия и содержания в нем алюминия (С) до величин 0,68 и 0,9С (по сравнению с покрытием с аналогичными параметрами на внешней трактовой поверхности лопатки) соответственно. Алюминидное покрытие, полученное ГЦА, обеспечивает защиту жаропрочных никелевых сплавов от окисления при температурах до 1000—1050 °С, практически не влияет на прочностные характеристики композиции сплав-покрытие (наблюдается некоторое повышение пластичности), оказывает положительное влияние на характеристики термоциклической ползучести ЖС (в 2 раза повышается число циклов до разрушения по сравнению со сплавом без покрытия), а также на сопротивление ЖС разрушению при действии циклических нагрузок. Покрытия, полученные одностадийным ГЦА, применяются в промышленности для защиты от окисления внутренней полости лопаток ряда двигателей, в том числе двигателя ПС-90. Более высокими защитными свойствами обладают двухстадийные газоциркуляционные покрытия (ГЦП) системы Ni—A1—Сг, дополнительно легированные хромом. На первой стадии насыщения на поверхности никелевых сплавов формируется однофазный Ni—Сг слой. На второй стадии проводится хромоалитирование. После диффузионного отжига на сплаве ЖС26У получается алюминидное покрытие с 72
ЛИТЕЙНЫЕ ЖАРОПРОЧНЫЕ СПЛАВЫ И ПОКРЫТИЯ содержанием, % (по массе): -19А1; ~6Сг; ~6Со (из основы); ~0,5W. Толщина слоя ~ 35—40 мкм. Внешняя зона покрытия представляет собой (3-фазу, легированную кобальтом и хромом, практически не содержащую тугоплавких металлов, легирующих жаропрочный сплав. В результате двухстадийного процесса в покрытие удается ввести дополнительное количество хрома [до 6% (по массе)], что особенно важно для ЖС с малым содержанием хрома. Для сравнения в табл. 1 приводятся результаты микрорентгеноспек- трального анализа состава ГЦА покрытий, полученных по одно- и двух- стадийной технологии. Таблица 1 Состав алюминидных ГЦА покрытий на сплаве ЖС26У Покрытие Газовое Циркуляционное Алитирование Двухстадийное газовое циркуляционное алитирование (Nr~Al-Cr) Зона* слоя 1 2 3 1 2 А1 20,5 13Д 5,88 19,0 12,4 Содержание элементов, Ti Cr Со Мо 0,42 1,02 0,9 0,3 0,5 2,3 5,9 4,6 6,0 8,5 7Д 9,0 9,3 6,05 7,1 0,44 0,8 0,06 0,59 % (по массе) W Nb 0,18 19,8 1,24 0,3 11,6 0,1 1,04 1,6 0,2 0,74 Ni Основа Основа Основа Основа Основа * 1, 2 - внешний и внутренний слой покрытия; 3 - основа (ЖС). Покрытие Ni—A1—Сг оказывает положительное влияние на длительную прочность ЖС, повышая долговечность (время до разрушения) образцов с покрытием. Двухстадийные ГЦП при испытаниях на термоциклическую ползучесть повышают в 1,5—2 раза работоспособность ЖС в сравнении с алитированным сплавом и оказывают положительное влияние на предел выносливости сплава ЖС26У при температуре 1000 °С. В целом двухстадийное ГЦП обеспечивает более надежную защиту от окисления ЖС при температуре 1050 °С по сравнению с одностадийным покрытием. При использовании ГЦА для защиты поверхности перфорационных отверстий на лопатках турбин ГТД, диффузионный слой покрытия в отверстиях имеет толщину и содержание алюминия, близкие к аналогичным параметрам покрытия внутренней полости лопатки. Качество 73
диффузионного слоя на поверхности перфорационных отверстий зависит от чистоты этой поверхности перед алитированием. Обычно перфорационные отверстия получают электроэрозионным способом, что требует тщательной последующей подготовки поверхности перфорационных отверстий под покрытие. При ГЦА поверхности внутренней полости лопаток покрытие формируется и на внешней, трактовой, ее поверхности, которую практически трудно предохранить от алитирования. Газоциркуляционное покрытие внешней поверхности лопатки не обеспечивает требуемый уровень ее защиты, так как, во-первых, имеет недостаточный «запас» (интегральное содержание) легирующих элементов (ограниченные толщина и содержание алюминия и хрома во внешнем слое покрытия), а во-вторых, недостаточный набор элементов, необходимых для комплексного легирования покрытия (т.е. для обеспечения его работоспособности в контакте с высокотемпературным газовым потоком ГТД при частых тепло- сменах). Поэтому для защиты внешней трактовой поверхности лопаток турбин с транспирационным охлаждением рассматриваются многокомпонентные (МК) ионно-плазменные жаростойкие покрытия или теплозащитные покрытия (ТЗП), содержащие ионно-плазменный соединительный слой и внешний керамический слой на основе стабилизированного диоксида циркония столбчатой, слоистой пористой или трещиноватой структуры. Формирование жаростойкого ионно-плазменного покрытия или соединительного слоя для теплозащитного покрытия на внешней трактовой поверхности пера лопатки возможно двумя способами: — путем предварительного ионно-плазменного нанесения на поверхность лопатки покрытия из никелевого сплава, определенной толщины и состава, и последующего ГЦА или ГЦП. При этом на трактовой поверхности лопатки будет формироваться легированное диффузионное или конденсационно-диффузионное покрытие в зависимости от толщины предварительно нанесенного покрытия из никелевого сплава, содержащего элементы, легирующие диффузионный слой; — путем нанесения ионно-плазменного легированного двухстадийно- го диффузионного или конденсационно-диффузионного покрытия на поверхность лопатки, имеющей ГЦА или ГЦП слой. Таким образом, покрытие на трактовой поверхности лопаток с транспирационным охлаждением с требуемыми защитными свойствами возможно получить путем последовательного чередования двух различных технологий — газового циркуляционного алитирования и ионно- 74
ЛИТЕЙНЫЕ ЖАРОПРОЧНЫЕ СПЛАВЫ И ПОКРЫТИЯ плазменной технологии высоких энергий. При этом ионно-плазменный процесс характеризуется высокой точностью воспроизведения параметров наносимого покрытия (2—3% — по толщине и 5% — по содержанию каждого легирующего элемента), а процесс ГЦА имеет низкую точность (~30—40% — по толщине и 5—10% — по содержанию алюминия). Использование двух технологий, различающихся по точности, не может обеспечить требуемую точность воспроизведения параметров покрытия по трактовой поверхности для лопаток турбин теплонапряжен- ных ГТД 5-го и 6-го поколений. Поэтому для получения качественных покрытий на лопатках этих двигателей необходимо создание нового поколения оборудования для ГЦА с АСУТП, обладающего высокой точностью. Для защиты трактовой поверхности лопаток турбин современных ГТД от высокотемпературной газовой коррозии в ВИАМ разработаны оригинальные технологические процессы получения на установке МАП-1М ионно-плазменных (ИП) диффузионных, конденсированных и конденса- ционно-диффузионных алюминидных покрытий, а также гамма сплавов на основе никеля и алюминия для реализации этих технологий [2—5]. Типы покрытий, разработанных в ВИАМ для лопаток турбин ГТД, приведены в табл. 2. Формирование диффузионных покрытий на жаропрочных сплавах происходит в плазме алюминиевого сплава, содержащего элементы, легирующие покрытие. Технологический процесс обеспечивает высокоточное формирование на поверхности жаропрочных сплавов легированных диффузионных алюминидных слоев в диапазоне толщин 20—120 мкм с содержанием алюминия 16—24% (по массе) и более, а также позволяет воспроизводимо и точно профилировать толщину этих слоев по рабочей поверхности пера лопаток ГТД, что недостижимо ни для одного из известных способов получения таких покрытий. Диффузионные ИП покрытия имеют характерное двухзонное строение с внешним слоем на основе NiAl, легированного Сг (до 12%), Сг—Y, Si, Si—Y, Pt и др. Легирование позволяет повысить защитные свойства ИП покрытий по сравнению с традиционными алюминидны- ми покрытиями. Композиции сплав—покрытие имеют на ~10% более высокую жаропрочность, чем сплав без покрытия, более высокие характеристики усталости и термостойкости. В настоящее время ионно-плаз- менное диффузионное покрытие из алюминиевого сплава ВСДП-П(ВП) системы А1—Si—Y благодаря своим преимуществам широко используется в серийном производстве на предприятиях авиационной промышленно- 75
ГЛАВА 2 Таблица 2 Ионно-плазменные защитные покрытия дня лопаток турбин ГТД Тип покрытия Алюминндаые диффузионные покрытия Легированные алюминидные диффузионные покрытия Конденсированные покрытия Сплав (конструкция) покрытия ВСДП-ЩВП) ВСДП-ЩВП) ВСДП-15(ВП) Система покрытия NbAbSr-Y NbAbSi-B NbAbCr~Si-Y Назначение Защита от тазовой коррозии в области температур 950~1050°С Защита от газовой коррозии в облает СДП~2+ВСДП~11(ВП) Ni~AbCr~Si~Y температур ШХЫ100°С ВСДП-8(ВП)+ NbAbCr~W~C~Y Соединительные слои 4-ВСДП-ЩВП) ТЗП ВСДП~9(ВП)+ Ni-Al-O-Ta-Y +ВСДП-18 СДП~14ЖУЩ~11(ВП) NbAbCr-Co^SbY Конден- сационно- диффузионные покрытия Защита от газовой коррозии в области температур 105(М100°С Защита от сульфидно- оксидной коррозии в области температур 800-950 °С Защита от газовой коррозии в области температур 1100-1200 °С Соединительные слои ТЗП Защита от сульфидно- оксидной коррозии в области температур 800-950 °С СДП-2 ВСДП-5 СД1Ы СДП-6 СДП-2+ВСДП-1б(ВП) ВСДП~8(9)+ *ВСДП~18(ВП) СДП-1+ВСДП-ЩВП) NbCr-AbY М-Сг~А1НВ NbCo-Cr-Al-Y Co~Cr~AbNi~Y (M*C)+NbCr~A!~ -Y+NbAbCr-Y NbCr-Al(Ta)-W- ~C~Y+NbCr-Al~Y Ni~Co~Cr~AbY+ +Ni-Al-Si-B сти взамен порошкового и шликерного алитирования. Технология успешно применяется и при ремонте диффузионных покрытий на лопатках турбин, так как нанесение покрытия производится на заключительной стадии ремонта, а замковая часть лопаток предохраняется от покрытия при помощи технологической оснастки, удерживающей лопатки при покрытии. При этом покрытие из сплава ВСДП— П(ВП) позволяет увеличить в 1,5 раза ресурс лопаток по сравнению со шликерным алюминидным покрытием, традиционно используемым при ремонте лопаток турбин. Для комплексного легирования ионно-плазменных диффузионных покрытий и увеличения содержания легирующих элементов в покрытии 76
ЛИТЕЙНЫЕ ЖАРОПРОЧНЫЕ СПЛАВЫ И ПОКРЫТИЯ предложено нанесение конденсированных подслоев на никелевой основе, содержащих элементы, легирующие покрытие1. В этом случае толщина конденсированного подслоя должна быть меньше толщины диффузионного слоя, что позволяет относить в целом покрытие к классу диффузионных покрытий. Нанесение конденсированного подслоя с целью легирования покрытия позволяет также устранить нежелательные «дефекты» в поверхностном слое основы из жаропрочного сплава, например карбиды, наличие которых на поверхности основы приводит к структурной неоднородности покрытия по поверхности защищаемого изделия. Одновременно с этим подслой является препятствием для растворения тугоплавких элементов ЖС в диффузионном слое, что также благоприятно сказывается на защитных свойствах легированного покрытия. Состав подслоя, его толщина и содержание в нем легирующих элементов выбираются таким образом, чтобы обеспечить требуемое содержание легирующего элемента в диффузионном слое. При этом избыток элементов, легирующих покрытие, выделяется в диффузионном слое, состоящем из (3-фазы, либо в виде отдельных фаз или соединений, либо в чистом виде, например ос-Сг. Таким образом можно получать диффузионные покрытия с содержанием хрома 12—14% (хром присутствует в Р-фазе в пределах его растворимости в виде силицидов хрома или в виде ос-Сг), что недостижимо при других методах получения таких покрытий. В процессе эксплуатации легированного покрытия содержание хрома в р-фазе поддерживается за счет избыточного хрома, имеющегося в диффузионном слое. Новый способ позволяет проводить целенаправленное легирование ионно-плазменных диффузионных покрытий в широких пределах не только элементами, повышающими защитные свойства покрытия, но и элементами, упрочняющими Р-фазу и повышающими термостабильность покрытия в контакте с ЖС, что важно для лопаток турбин теплонапряженных ГТД, и позволяет повысить рабочую температуру двухстадийных покрытий до 1100°С. Применительно к защите турбинных лопаток с транспирационным охлаждением двух- стадийные легированные диффузионные покрытия практически не изменяют геометрии перфорационных отверстий (толщина покрытия над поверхностью ЖС приблизительно равна толщине конденсированного подслоя, т.е. ~ 20 мкм), что является преимуществом таких покрытий. 1 Мубояджян С. А, Каблов Е.Н., Будиновский С. А. и др. Способ получения диффузионного алюминидного покрытия на изделии. — Положительное решение от 1. 11. 2000 г. по заявке № 99111115/02 от 27.05.1999 г. на патент. 77
Hill ШШШ^ШШШШ5. Особенностями ионно-плазменных конденсированных покрытий системы Mr-Cr-Al-Y (Ni-Cr-Al-Y; Ni-Cr-Al-Ta-Y; Ni-Cr-Al-W-C-Y и др.), разработанных в ВИАМ, являются их мелкодисперсная структура, высокая адгезия, а также высокая точность осаждения и низкая стоимость [6]. Ионно-плазменные МК покрытия имеет высокую термостойкость в контакте с жаропрочными сплавами и оказывают минимальное влияние на механические характеристики материала основы, а в ряде случаев позволяют значительно повысить свойства композиции сплав- покрытие: например, малоцикловую усталость (до 20—25%), термостойкость (в 2 раза и более), жаропрочность (на —10—15 %) при больших базах испытаний (500 ч и более). Конденсированные покрытия успешно используются также в качестве подслоев для получения двухстадийных легированных диффузионных и конденсационно-диффузионных, а также теплозащитных покрытий, содержащих внешний керамический слой на основе стабилизированного диоксида циркония. Ограниченный запас алюминия в конденсированных покрытиях системы Ni—Cr—A1—Y, а также относительно высокая диффузионная активность этих покрытий в контакте с ЖС не позволяют длительно использовать эти покрытия при температурах свыше 1100°С. Поэтому для работы при более высоких температурах в ВИАМ были разработаны оригинальные двух- или трехслойные конденсационно-диффузионные (К-Д) покрытия, обеспечивающие защиту жаропрочных сплавов в диапазоне температур от 1100 до 1200 °С. Повышение рабочей температуры таких покрытий было достигнуто благодаря увеличению запаса алюминия в покрытии за счет внешнего легированного диффузионного алюминидного слоя с определенным и точно контролируемым содержанием алюминия. В ряде случаев для значительного уменьшения диффузионной связи между основой и покрытием в таких системах используются тонкие (~ 3 мкм) противодиффузион- ные слои из карбида металла, получаемые методом плазмохимии высоких энергий при подаче ацетилена в плазму карбидообразующего металла (при давлении ~ 10"1 Па). Широкие перспективы для формирования на поверхности ЖС барьерных слоев имеет новый процесс термостимулированного насыщения поверхности ионами чистых металлов и сплавов при низких энергиях частиц (до 2 кэВ), разработанный в ВИАМ. Процесс проводится на модернизированной промышленной ионно-плазменной установке МАП-1М и позволяет изменять физико-химические свойства обрабатываемой поверхности путем управления ее структурно-фазовым состоянием. В целом можно отметить, что рассмотренные К-Д покрытия имеют значительно более высокие защитные свойства по сравнению с обыч- 78
ЛИТЕЙНЫЕ ЖАРОПРОЧНЫЕ СПЛАВЫ И ПОКРЫТИЯ ными конденсированными покрытиями, что обусловило их широкое использование в промышленности [6]. Для защиты внешней поверхности пера лопаток турбин с транспи- рационным охлаждением рассматриваются также ТЗП, содержащие металлический соединительный слой и внешний керамический слой на основе стабилизированного диоксида циркония. Для получения заметного теплозащитного эффекта керамический слой со столбчатой структурой, полученный электронно-лучевой технологией и обладающий наиболее высокими защитными свойствами, должен иметь толщину не менее 100 мкм, что связано с его относительно высоким коэффициентом теплопроводности [(2—3 Вт/(м-К)]. В настоящее время ведутся интенсивные работы по снижению теплопроводности электронно-лучевой керамики до 1—1,5 Вт/(м-К), что позволит уменьшить толщину керамического слоя ТЗП и повысить тем самым надежность покрытия. Ресурс ТЗП зависит в первую очередь от состава соединительного слоя, конструкции ТЗП, технологии нанесения ТЗП и определяется прочностью (критической толщиной) оксидной пленки на поверхности соединительного слоя, которая формируется на этой поверхности в процессе эксплуатации ТЗП из-за «прозрачности» диоксида циркония для кислорода. Поэтому ресурс ТЗП ограничен временем и условиями роста оксидной пленки на поверхности соединительного слоя, что является основным недостатком этих покрытий. Критическая толщина оксидной пленки, при которой имеет место скалывание керамического слоя покрытия на пере лопатки, зависит в первую очередь от условий эксплуатации. Так, для высокотемпературных ГТД, имеющих приемистость в пределах нескольких секунд, наблюдается значительное снижение ресурса ТЗП. Поэтому применение ТЗП целесообразно только для гражданских двигателей с рабочей температурой лопаток ТВД на уровне 1000 °С. Ионно-плазменная технология высоких энергий также позволяет осаждать керамические слои на основе стабилизированного диоксида циркония методом плазмохимии высоких энергий путем подачи в плазму сплава Zr—Y кислорода при давлении ~ 10"1 Па. Однако такие теплозащитные покрытия характеризуются низкой термостойкостью из-за высокой плотности ионно-плазменного керамического слоя, имеющего равноосную субмелкозернистую структуру, что не позволяет компенсировать значительные напряжения, возникающие в керамическом слое при тер- моциклировании композиции сплав—покрытие. Применение такой керамики для создания эффективного ТЗП возможно после разработки специальной технологии термообработки покрытия с целью создания кера- 79
ГЛАВА 2 *с» jgy 3jjj> ^j^j^l^ мического слоя с трещиноватой структурой. Поэтому разработка новых ТЗП с электронно-лучевым или альтернативным ионно-плазменным керамическим слоем низкой теплопроводности [1—1,5 Вт/(м*К)] требует создания специального технологического и испытательного оборудования и усилий большого коллектива различных специалистов: материаловедов, технологов, специалистов по оборудованию и др. Для современных авиационных ГТД рост теплонапряженного состояния лопаток турбины приводит к возникновению на профиле пера лопаток различных зон, отличающихся друг от друга уровнем температур, напряжений и знаком этих напряжений. В таких случаях подбор защитного покрытия для внешней поверхности лопаток турбины становится неразрешимой задачей, решение которой, как показали проведенные в ВИАМ разработки, возможно путем «конструирования» покрытия. При этом под термином «конструирование» понимается либо профилирование толщины покрытия по зонам на поверхности пера лопатки, либо применение по этим зонам покрытий различного типа в зависимости от условий работы в этих зонах. Следует отметить, что принцип конструирования покрытия нашел применение для лопаток турбины двух типов современных ГТД, что позволило значительно (на 100%) увеличить ресурс лопаток этих двигателей. При нанесении на перо лопатки защитного или теплозащитного покрытия имеет место частичное покрытие поверхности перфорационных отверстий. Глубина проникновения внешнего покрытия в перфорационные отверстия превышает в ~ 2—3 раза диаметр отверстий. Причем толщина покрытия монотонно убывает по глубине отверстия, а максимальная толщина покрытия располагается непосредственно за кромкой отверстия и имеет величину ~ 0,5 от толщины внешнего покрытия. При диаметре перфорационных отверстий ~ 0,5—1 мм сужение отверстий со стороны внешней трактовой поверхности лопаток может приводить к значительному изменению процесса истечения воздуха, охлаждающего лопатку, и должно учитываться при расчете, конструировании и изготовлении лопаток ГТД. Поэтому для лопаток турбин с транспирацион- ным охлаждением выбор типа защитного покрытия необходимо проводить на стадии проектирования, так как степень сужения перфорационных отверстий существенно зависит от типа покрытия. При этом минимальное сужение перфорационных отверстий происходит при использовании ионно-плазменных диффузионных и легированных диффузионных покрытий, а максимальное — при использовании ТЗП, толщина которых на поверхности пера лопатки может составлять 150—200 мкм. 80
ЛИТЕЙНЫЕ ЖАРОПРОЧНЫЕ СПЛАВЫ И ПОКРЫТИЯ В заключение отметим, что создание системы покрытий для защиты от высокотемпературной газовой коррозии внутренней полости и внешней трактовой поверхности монокристаллических лопаток турбин с транспирационным охлаждением, имеющих «ажурную» конструкцию с множеством внутренних и внешних перфорационных отверстий малого диаметра, представляет собой сложную научно-техническую задачу, успешное решение которой возможно только путем последовательного использования и сочетания химических и физических методов осаждения покрытий и создания нового поколения промышленного оборудования высокой точности с автоматической системой управления технологическим процессом. Библиографический список 1. Лесников В. П., Кузнецов В. П., Горошенко Ю.А. и др. Диффузионное насыщение алюминием и хромом никелевых сплавов циркуляционным методом из газовой фазы//МиТОМ, 1998, №10, с. 21-25. 2. Каблов Е.Н., Мубояджян С. А., Будиновский С. А., Помелов Я. А. Ионно-плазменные защитные покрытия для лопаток газотурбинных двигателей//Конверсия в машиностроении, 1999, №2 (33), с. 42-47. 3. Muboyadjyan S.A. High-Temperature Ion-Plasma Coatings for Gas-Turbine Engine Vanes// Aerospace Journal, 1998 (May—June), p. 24-25. 4. Будиновский С. А., Каблов Е.Н., Мубояджян С. А. и др. Вакуумная плазменная технология высоких энергий - эффективный путь создания новых покрытий и материалов//Авиационные материалы на рубеже XX-XXI веков. - М.: ВИАМ, 1994, с. 314-325 . 5. Мубояджян С. А., Каблов Е. Н., Будиновский С. А. Вакуумно-плазменная технология получения защитных покрытий из сложнолегированных сплавов//МиТОМ, 1995, №2, с. 15-18. 6. Мубояджян С.А., Будиновский С.А. Конденсированные и конденсационно-диффузионные покрытия для лопаток турбин из жаропрочных сплавов с направленной кристаллической структурой//МиТОМ, 1996, №4, с. 15-18. 6 — 5961
Глава 3 ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ЖАРОПРОЧНЫЕ И ИНТЕРМЕ1АЛЛИДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ГОРЯЧЕГО ТРАКТА ГТД УДК 669.018.26 Б. С. Ломбере, С.А. Моисеев ЖАРОПРОЧНЫЕ ДЕФОРМИРУЕМЫЕ СПЛАВЫ ДЛЯ СОВРЕМЕННЫХ И ПЕРСПЕКТИВНЫХ ГТД На рубеже XX и XXI веков и в течение ближайших 10 лет жаропрочные никелевые сплавы будут занимать заметное место в конструкциях турбин, компрессоров высокого давления, камер сгорания перспективных ГТД. В последнее десятилетие в ВИАМ проводились исследования в направлении создания новых жаропрочных деформируемых сплавов для двигателей 5-го и 6-го поколений, а также повышения ресурса и надежности материалов, разработанных в начале 1990-х годов. СПЛАВЫ ДЛЯ ДИСКОВ ГТД* Созданные в ВИАМ сплавы (табл. 1) отвечают основным требова- Работа проведена совместно с Л.С. Маркиной, Л.П. Чударевой, СВ. Овсепяном, Е. И. Разуваевым, Н. В. Моисеевым, С. В. Мулиным (ВИАМ), В. Г. Скляренко (ВИЛС). 82
ЖАРОПРОЧНЫЕ И ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ГОРЯЧЕГО ТРАКТА ГТД Штамповки дисков из деформируемых жаропрочных сплавов Таблица 1 Сплав ЭК79-ИД ЭК151-ИД ЭК152-ИД ЭП975-ИД Диаметр заготовок Oj дисков, мм <350 <1000 <650 <650 <550 Jo,2 МПа % 1450 950 14 17 1300 900 13 14 145 105 14 14 155 130 Длительная прочность 8 \р KCU, Температура о, т, ч испытания, Дж/см2 °С МПа (не менее) 115 10 12 98 12 15 35 35 30 25 30 650 650 750 650 750 650 700 750 900 920 600 1030 650 1050 830 740 100 50 100 100 100 100 100 100 Гарантированные свойства по ТУ (не менее). ниям, предъявляемым к материалу дисков и обеспечивающим их работоспособность в серийных и перспективных ГТД: — высокий уровень длительной и кратковременной прочности во всем диапазоне рабочих температур; — низкая чувствительность к концентраторам напряжений при статическом нагружении; — высокая пластичность при длительном и кратковременном нагружении; — достаточно высокое сопротивление малоцикловой усталости; — стабильность структуры и фазового состава; — хорошая технологичность. Для выполнения требований ЦИАМ к дисковым материалам для двигателей 5 и 5+ поколений были созданы модификации сплавов ЭК151-ИД, ЭК152-ИД и ЭП975-ИД с повышенным уровнем эксплуатационных свойств (табл. 2). Оптимальное сочетание высокой прочности и малоцикловой усталости обеспечивается в сплаве ЭК152-ИД со структурой «ожерелье» (рис. 1), для получения которой были разработаны специальные режимы деформации и термообработки. Уникальная технология производства заготовок дисков из высокожаропрочных деформируемых сплавов с использованием эффекта сверхпла- 6* 83
Свойства деформируемых высокожаропрочных сплавов для дисков перспективных ГТД Сплав ЭК152-ВД Типа ЭК151-ИД ЭП975А-ИД Рабочая температура, °С £700 £800 £850 <975 °в °0,2 МПа 1580- 1620 1380- 1400 1500- 1550 1300- 1350 1200- 1250 1150- 1200 1050- 1100 1050- 1100 5, % г ю £15 ^16 216 Длительная прочность ат, МЦУ (при N= МПа, при температуре, °С Температура 650 700 750 испытания, °С 1050-1080 1050-1080 1050-1080 800-830 — - 650 700 720-740 750 650-700 650 780 750 <450;250)** Ш4 цикл) # МПа 1230/550 1090/550 1000/470 1150/540 1050/520 Таблица 2 Тип структуры В числителе - значения дая гладких образцов, в знаменателе - с надрезом (<х0 = 3>35; гн ~ 0,25 мм). * Цифры в скобках — значения при температуре 850 и 950 °С соответственно.
ЖАРОПРОЧНЫЕ И ННТЕРМЕТАЛЛИДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ГОРЯЧЕГО ТРАКТА ГТД стичности была создана ВИАМ совместно с сотрудниками завода «Электросталь» и Ступинского металлургического комбината (рис. 2). На рис. 3 показаны образцы штамповок дисков из сплавов ЭК79-ИД, ЭК151-ИД, ЭК152-ИД и ЭП975-ИД, полученные по этой технологии для различных ГТД. Новые деформируемые дисковые материалы широко внедряются и опробуются в серийных и во многих перспективных ГТД и ГТУ (табл. 3). Всесторонние металлургические исследования, проведенные на промышленных штамповках из новых материалов, показали соответствие свойств во всех зонах диска (обод, полотно, ступица) нормам технические. 1. Микроструктура (хЮО) штамповок дисков сплава ЭК152-ИД: а — «ожерелье»; б — равноосная Выплавка ВИ+ВДП (слиток диаметром до 400 мм) =4> Гомогенизация и горячее прессование слитков (структура, пригодная для сверхпластичео кой деформации; 6>500%) ЩйаЩш^ Объемная штамповка на гидравлических прессах (в том числе в изотермических условиях): - повышение КИМ в 2 раза; - снижение стоимости на 30 % <=$> Упрочняющая термообработка, формирование оптимальной микроструктуры Рис. 2. Технологическая схема производства заготовок дисков из высокожаропрочных сплавов ЭК79-ИД, ЭК151-ИД, ЭК152-ИД, ЭП975-ИД 85
ГЛАВА 3 «■»> %»'■ >'jS»'> 3g>- Таблица 3 Применение новых деформируемых жаропрочных сплавов в серийных и перспективных ГТД и ГТУ Сплав ЭК79-ИД ЭК151-ИД ЭК152-ИД ЭП975-ИД Тип двигателя НК32 РДЗЗ Р79; Р79-300 Д27, Д27М НК93 ТВД1500 ТВД600 НК36СТ; НК37; НК399 Д27; Д27М ПС90А АЛ-41Ф НК92; НК93 и др. АЛ~31СТ ТА8 ТА14 НК92; НК93 и др. Деталь Диски турбины и КВД То же Диски турбины Диски ЦБК, ТВВ; вал Диски турбины; кольца То же —^—. Диски турбины и КВД Диски ТВД и ТНД Диски турбины Диски ТВД, ТНД и КВД Диски турбины Диски ТВД и ТНД Диск-вал То же Диски турбины; кольца м 4 *& М ш ян «"«Sin <tf'w , явь ШШ^шШ SgK; :^Н| 1Ш ■J™ IF- .- Ш1ЁШМ^^^^Шт/^'%^Я!ш$ ШЩШШЯШ^** * .ЯВИ /, ^^Щ ИРШ |L^a| Рис. 3. Штамповки дисков для перспективных ГТД из сплавов ЭК79-ИД, ЭК151-ИД, ЭК152-ИД, ЭП975-ИД 86
ЖАРОПРОЧНЫЕ И ИНТЕРМЕТАЛЛ»!ДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ГОРЯЧЕГО ТРАКТА ГТД 650 С 800 С 650 С 800 С Рис. 4. Влияние коррозионной среды (а — NaCl; б — Na2S04 + NaCl) на длительную прочность (при 650 и 800 °С) сплавов после испытаний (30 циклов) по режиму: нанесение соли на образец, нагрев до заданной температуры, выдержка 1 ч, охлаждение до 20 °С: 1 1 — ЭП741Н-П (гранульный): фронтальная коррозия; сколы (до 50% по периметру); ■I — ЭП742-ИД (деформируемый): незначительная фронтальная коррозия; местами сколы ких условий. Это подтверждается, например, результатами исследований штамповок дисков сплава ЭК151-ИД различных изделий. В связи с расширением эксплуатации дисков из сплава ЭП741Н-П, изготовленного методом гранульной металлургии, для уточнения условий их применения были проведены сравнительные коррозионные испытания дисковых материалов, полученных по разным технологиям (рис. 4). Кроме того, с помощью авторадиографического метода были изучены типы структур гранульного жаропрочного сплава на различных стадиях технологического процесса (рис. 5). Приведенные данные показывают, что материал, полученный по технологии газоизостатического прессования (ГИП) с последующей деформацией, обеспечивает однородную мелкозернистую структуру и, как следствие, более высокий уровень свойств (табл. 4). Таким образом, основные условия применения гранульных дисков из жаропрочных никелевых сплавов для ГТД и ГТУ могут быть сформулированы следующим образом: — использование гранул размером < 100 мкм; — применение заготовок, полученных методом ГИП + деформация; — максимальная рабочая температура дисков <650°С. Из перспективных работ1 для двигателей последующих поколений следует отметить создание конструкции «блиск» (лопатка + диск) с ис- Совместно с B.C. Рыльниковым. 87
ГЛАВА 3 намет] ГОТОВК] мм 280 520 Свойства дисков из сплава ЭП741Н-П* : Технология 9 изготовления ГИП ГИП+деформацня ГИП ГИП-fдеформация * Данные ВИЛС ** Надрез: гн = 0,15 мм; аа ав 0О,2 МПа 1520 1520 1450 1670 = 3,75. ИЗО 1125 950 1150 6 у KCIJ> % Дж/см2 20 20 49 20 20 65 25 23 60 17 18 40 Таблица 4 о«$°, МПа, образцов гладких с надрезом** 1020 1020 1050 1070 950 950 1050 1050 Рис. 5. Структура гранульного жаропрочного сплава при различной технологии изготовления: а, б — хЮОО; ГИП и ГИП + деформация соответственно; в, г - хЮО; ГИП + термообработка (в) и ГИП+деформация + термообработка (г) 88
ЖАРОПРОЧНЫЕ И ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ГОРЯЧЕГО ТРАКТА ГТД пользованием для соединения разнородных материалов метода высокотемпературной пайки (рис. 6). Оптимальный выбор материала лопаток, дисков и высокотемпературных припоев, а также режимов пайки и термообработки обеспечивает отсутствие в зоне соединения дефектов и хрупких выделений. При реализации подобной конструкции снижение массы ротора составит -30%. II Зона пайки Рис. б. Структура (хЮО) конструкции «блиск» (лопатка+диск) после высокотемпературной пайки (а; припой ВПрЗб) и последующей термообработки (б): I - лопатка ЖС26У+диск ЭП975-ИД; II - лопатка ЖС32+диск ВЖ137-ИД 89
ГЛАВА 3 ^^^^^^S^"^^^ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ КАМЕР СГОРАНИЯ,1 Жаропрочные свариваемые сплавы на никелевой основе нашли широкое применение для камер сгорания и дожигания, экранов, форсунок, корпусов камер сгорания и КВД, задних опор турбины, высокотемпературных газоводов и др. Для современных и перспективных авиационных ГТД разработаны новые материалы, позволяющие повысить рабочие температуры камер сгорания на 150-200 °С. Было показано, что введение кобальта положительно влияет на прочность, запас пластичности и вязкости аустенитной матрицы. Это было использовано при разработке сплава ВЖ145 (ЭК102) (15% W, 30% Со, 20% Сг). Сплав структурно стабилен и существенно превосходит серийные сплавы аналогичного назначения по прочности, жаропрочности и термостойкости. Он технологичен и хорошо сваривается всеми видами сварки. По всему комплексу свойств практически равноценен зарубежному сплаву HS-188 (40% Со) и может быть использован длительно при температурах до 1100°С (о1^0 составляет 35-40 и 40 МПа для сплавов ВЖ145 и HS-188 соответственно). Сплав ВЖ145 (ЭК102) характеризуется высокой ремонтоспособнос- тью в процессе как изготовления узлов, так и при эксплуатации их в изделиях. Этот сплав успешно прошел опробование и внедрение на СНТК им. Н.Д. Кузнецова (НК-92), ОАО «Авиадвигатель» (ПС-90А, газогенератор 94-30), ЗНКБ «Прогресс» (двигатель Д-27); начато опробование на заводе «Салют» (двигатель АЛ-31Ф). Особенностью нового сплава ВЖ159 являются высокие характеристики пластичности и технологичности (на уровне свойств гомогенного сплава ЭИ868), при этом кратковременные прочностные свойства и длительная прочность в диапазоне рабочих температур от 650 до 1000 °С также находятся на высоком уровне (табл. 5). Очень важно также, что сплав значительно превосходит по термостойкости все серийные гомогенные сплавы на Ni-Cr и Ni-Cr-Co основах: например, при режиме испытания 1000 °С ^>200°С новый сплав выдерживает 500 циклов (термостойкость серийного сплава ЭП648 75 циклов). В химическом составе сплава ВЖ159 не содержится дефицитных легирующих элементов Со и W (плотность сплава 8250 кг/м3), материал Работа проведена совместно с В. Б. Латышевым 90
ЖАРОПРОЧНЫЕ И ИНТЕРМЕТДЛЛИДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ГОРЯЧЕГО ТРАКТА ГТД Сплав ВЖ145(ЭК102) ВЖ152* ВЖ159 ВЖ155 0В> МПа 850-900 900 ИОО 800 80 90 ~ — 35 40 20-25 60 16 18 10 40 Таблица 5 Свойства новых жаропрочных свариваемых сплавов для камер сгорания перспективных ГТД а100 , МПа, при температуре, °С 800 900 1000 1100 1200 170 170-180 20 Материал для камер сгорания со слоисто-проницаемым охлаждением. хорошо сваривается. Из него были изготовлены сложные узлы горячего тракта двух новых изделий РКБМ. Для высокотемпературных узлов камер сгорания и других деталей горячего тракта ГТД разработан новый сплав ВЖ155 с рабочей температурой до 1200°С (см. табл. 5). Такие свойства по жаропрочности получены в результате разработки специального состава на Ni—Сг основе и оригинального режима химико-термической обработки. Высокая жаропрочность сплава ВЖ155 обеспечивается структурой, содержащей стабильные дисперсные выделения нитридов. Указанные выделения имеют высокую термическую стабильность и более устойчивы при высоких температурах, чем интерметаллиды. Материал технологичен (на уровне гомогенного сплава ЭИ868): может подвергаться горячей обработке давлением, сварке (V = 5,4 мм/мин), штамповке. Материал внедрен на изделии кратковременного действия в УМКБ и успешно прошел опробование в ЗАО «Сатурн—Люлька» (для изготовления створки регулируемого сопла в двигателе АЛ-31Ф). Для создания слоисто-проницаемых материалов (СПМ) разработан новый свариваемый сплав ВЖ15 (а1^ > 40 МПа), полностью соответствующий требованиям по жаропрочности, жаростойкости, технологичности (штампуемость, способность к гибке в холодном состоянии, возможность подвергать материл фотохимической обработке и т.д.). Листовая конструкция СПМ в 2—4 слоя и более может также изготовляться методом пайки (лента ВПр42). Сплав ВЖ125 в варианте СПМ представляет также большой интерес для изготовления перспективных камер сгорания. Этот вид матери- 91
ГЛАВА 3 *»>^>ДЕ>Я> алов позволяет снизить температуру рабочих узлов (камеры сгорания, форсунки и др.) на 250—300 °С, при этом появляется реальная возможность повышения температуры газа перед турбиной. ЖАРОПРОЧНЫЕ СВАРИВАЕМЫЕ СПЛАВЫ ДЛЯ КОРПУСОВ Для сварных высоконагруженных статорных узлов и деталей (корпуса камеры сгорания, задней опоры, сопловых аппаратов, форсажной камеры сгорания и др.), работающих при температурах 600—950 °С, разработана целая серия жаропрочных сплавов, которые нашли применение в ГТД 5-го поколения. Исходным материалом для их изготовления являются в большинстве случаев кольцевые заготовки диаметром 500—850 мм и холоднокатаные листы толщиной 1—2 мм. Корпусные материалы для обеспечения современных параметров по весовой отдаче должны иметь высокую прочность при комнатной и рабочей температурах, высокую жаропрочность, удовлетворительную свариваемость всеми видами сварки (АрДЭС, ЭЛС, контактная, точечная и др.), хорошую технологичность при проведении горячей и холодной обработки металла давлением. Материалы должны также обеспечить высокую ремонтоспособность в процессе изготовления узлов и после их наработки в изделиях. В настоящее время наиболее широкое применение для этих целей нашел жаропрочный сплав на железо-никелевой основе ЭП718-ИД (табл. 6). Для корпусов камер сгорания перспективных ГТД разработан высокопрочный сплав ВЖ151, предназначенный для длительной эксплуата- Таблица 6 Свойства жаропрочных сплавов для сварных корпусов \|/ KCU, а100, МПа, при температуре, °С Дж/см2 600 700 750 14 50 780-810 470 320-360 80 800-850 500 150 600* 400 45 880 10 950 600 Сплав ЭП718 ВЖ151 ВЖ159 ВЖ168 ВЖ169 * При МПа 1150 1100 1100-1250 1400 1450 650 °С. 700 700 600-650 1000 1050 б 12 20-30 35-40 27-30 24-28 92
ЖАРОПРОЧНЫЕ И ИНТЕРМЕТДЛЛИДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ГОРЯЧЕГО ТРАКТА ГТД ции при температурах 700—750 °С, экономнолегированный дефицитными элементами (W, Мо) и в связи с этим имеющий пониженную плотность (8370 кг/м3). Сварные соединения этого сплава отличаются высокой коррозионной стойкостью во всеклиматических условиях, не склонны к межкри- сталлитной коррозии и коррозионному растрескиванию. Материал прошел технологическое опробование применительно к изделию «Д27» на ЗМКБ «Прогресс». В последние годы в ВИАМ разработаны листовые свариваемые корпусные материалы ВЖ168, ВЖ169 (см. табл. 6), обладающие повышенными характеристиками прочности (ав= 1400—1500 МПа) в сочетании с хорошей свариваемостью. Кроме того, значения такой определяющей характеристики, как критическая скорость сварки при образовании трещин в сварном шве, составляет для сплава ВЖ168 5,4 мм/мин (против 3 и 2,3 мм/мин для сплавов ЭП693 и ЭП914 соответственно). УДК 669.018.9:669.245 Е.Н. Каблов, В. П. Бунтушкин ИНТЕРМЕТДЛЛИДНЫЕ НИКЕЛЕВЫЕ СПЛАВЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ГТД Интерметаллидные никелевые сплавы типа ВКНА (ВИАМ-Конструкци- онный-Никель-Алюминиевый) созданы на основе интерметаллического соединения состава Ni3Al — структура таких сплавов представляет собой твердый раствор замещения. Особенности связи атомов в кристаллической решетке, упорядоченная структура, химический состав и природа защитной пленки, образующейся при эксплуатации в окислительных средах, отличают эти сплавы, обладающие высокими температурами начала плавления (1380—1320 °С), пределом текучести в интервале температур 1100—1300 °С, низкой плотностью (<8000 кг/м3), а также высоким сопротивлением окислению при температурах до 1300 °С. Исследованиями установлено, что максимальная термическая стабильность структуры и механических свойств в сплавах различных систем легирования достигается при средней электронной концентрации 93
ГЛАВА 3 интерметаллида 8,37—8,4 эл/атом, в то время как прочность при температурах 1100—1300 °С зависит от степени легирования интерметаллида1. Определение предела текучести легированного интерметаллида Ni3Al различных систем при температурах 1100—1300°С показало (табл. 1), что для эксплуатации материалов при высоких температурах наиболее интересно соединение Ni3Al, легированное хромом, вольфрамом, молибденом и титаном. Таблица 1 Предел текучести интерметаллида Ni3AI различных систем легирования* ~ Предел текучести <jno, МПа Система легирования *~пт, Т^ПРПЯ^Д2 ог интерметаллида при температурах, °С 1100 1200 1300 NbAbCr-W-Ti Ni~AbCr~W~Ti~Co-~Zr Ni-Al-Cr-W-Mo-Ti NbAbCr-W-Mo-Co-Ti 210-270 270-290 310-350 340-370 85-120 100-115 180-195 140-150 50-75 60-70 * Средняя электронная концентрация всех сплавов 8,37-8,4 эл/атом. Выявленные принципы легирования послужили основой для создания конструкционных интерметаллидных никелевых сплавов для деталей горячего тракта ГТД, работающих длительно в окислительных средах при температурах до 1300 °С. Вследствие высокой термической стабильности структуры литейные сплавы типа ВКНА не подвергаются упрочняющей многоступенчатой термической обработке (как это имеет место для дисперсионно-тверде- ющих сплавов на основе никеля типа ЖС6, ЖС6У, ЖС32 и др.). С целью гомогенизации и повышения свойств литые полуфабрикаты и детали подвергаются кратковременному нагреву в интервале температур 1100—1200 °С. Структурные изменения после отжига литых полуфабрикатов и деталей при этих температурах приведены в табл. 2. Видно, что кратковременный отжиг при высоких температурах увеличивает содержание Y-фазы в сплаве с 90 до 99%, изменяется ширина 1 Каблов Е.Н., Бунтушкин В. П., Морозов Г. И., Базылева О. А. Основные принципы легирования интерметаллида Ni3Al при создании конструкционных сплавов//Материаловедение, 1998, №7, с. 13-15. 94
ЖАРОПРОЧНЫЕ И ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ГОРЯЧЕГО ТРАКТА ГТД Таблица 2 Структурные изменения в сплаве ВКНА-1В(НК) до и после нагрева Состояние материала Содержание фаз, % (по массе) У у Объемная доля первичных частиц /-фазы, % (объемн.) Ширина прослоек у-фазы, мкм Параметр дальнего порядка У-фазы Литой После нагрева при 1150°С (охлаждение на воздухе) 90 99 10 1,0 17 11 0,18 0,42 0,37 0,88 прослоек у-фазы (твердый раствор на основе никеля), а также повышается степень дальнего порядка с 0,37 до 0,88. Увеличение содержания У-фазы в сплаве связано с частичным растворением первичных частиц и выделением в объеме прослоек у-фазы дисперсных частиц У-фазы (рис. 1). При близком уровне жаропрочности никелевые аналоги (с одинаковой структурой) уступают сплавам на основе интерметаллида в свойствах при температурах 1100-1200 °С. Рис. 1. Микроструктура (а, в - хЮООО; б - Х5000) у-фазы в сплаве ВКНА-1В в литом (а), после отжига при температуре 1150°С, 1ч (б) и закалки с температуры 1300°С, 10 ч в воде (в) 95
ГЛАВА 3 1100" лПп а100, МПа 100 h 50 ВКНА-4У МОНО ПО ВКНА-4-Р 55 ВКНА-1В-НК 90 ЖС40 МОНО В 145 ЖС26-НК 90 ВЖЛ-12У 40 1 ЖС6У 50 1 7840 7910 7930 7938 8400 8500 8840 d, кг/м' Рис. 2. Предел сточасовой прочности при 1100°С интерметаллидных (CZ3) и никелевых сплавов (И) с одинаковой макроструктурой, но различной плотностью Кроме того, для обеспечения близкого уровня жаропрочности (например, сточасовой прочности при 1100°С) содержание дорогостоящих элементов в интерметаллидных сплавах значительно ниже (рис. 2, табл. 3). В связи с меньшим содержанием тяжелых легирующих добавок ин- терметаллидные сплавы легче, что определяет их повышенную удельную жаропрочность (см. табл. 3). Таблица 3 Удельная жаропрочность интерметаллидных и никелевых сплавов Сплав ВКНА-4-Р ВКНА-4У МОНО ВКНА-1В-НК ВЖЛ-12У ЖС6У-Р ЖС26-НК ЖС40 МОНО а, кг/м3 7840 7910 7938 7930 8400 8500 8840 Содержание тугоплавких элементов ЕС « W+Mo+Nb+Ta+Re, % (по массе) 6,5 8 9 6,2 14,6 16,7 20,4 „1000 / j ° 100 '"' усл.ед. (км) 0,7 1,4 1,13 0,5 0,6 1,05 1,64 Особенностью интерметаллидных сплавов является возможность изменять в широких пределах их прочность и пластичность при комнатной температуре путем регламентирования макроструктуры отливок (табл. 4). 96
ЖАРОПРОЧНЫЕ И ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ГОРЯЧЕГО ТРАКТА ГТД Таблица 4 Прочность и пластичность сплава ВКНА-1В в зависимости от макроструктуры отливок Макроструктура МПа % Равноосная дендритная - 736-859 16,6-18,8 19-19 Столбчатая направленная 360-380 710-740 51-59 60-65 Монокристаллическая, КТО: <001> 330 550 55 <011> 400 670 29 <Ш> 580-620 120-135 12-14 10-12 Сплав ВКНА-1 В с направленной структурой благодаря повышенной пластичности допускает исправление литейных дефектов аргоно-дуговой сваркой. При этом коэффициент ослабления при сварке при 20 и 1200°С соответственно равен 0,6 и 0,75. Это выгодно отличает интерметаллид- ный сплав от никелевых аналогов, которые не позволяют исправлять литейные дефекты сваркой. Анализ особенностей паспортизованных интерметаллидных материалов типа ВКНА показывает, что они, кроме того, имеют более высокое сопротивление окислению при температуре до 1300°С, более простой и экономичный химический состав, меньшее содержание в объеме дорогостоящих легирующих добавок и, как следствие, меньшую плотность. Для упрочнения этих сплавов не требуется трудоемкая многоступенчатая термическая обработка. Прочность и пластичность интерметаллидных материалов при комнатной температуре могут быть выбраны оптимальными путем регламентирования макроструктуры отливок. В настоящее время наиболее жаропрочным интерметаллидным материалом является сплав ВКНА-1В. Его сточасовая прочность в отливках с направленной и монокристаллической структурой при температуре 1200°С составляет более 50 МПа. На уровень длительной прочности и пластичности литого сплава ВКНА-1В оказывает влияние кристаллографическая ориентация в отливках (табл. 5, 6). Исследование термической усталости интерметаллидных сплавов с равноосной, направленной и монокристаллической структурой показало, что наиболее высокие значения сопротивления термической усталости при напряжении Ас = 600 МПа и термоциклировании по режиму 7-5961 97
ГЛАВА 3 Таблица 5 Влияние кристаллографической ориентации на пределы длительной прочности отливок из сплава ВКНА-1В МОНО Температура испытаний, °С 800 1000 1100 Кристаллографическая ориентация <Ш> <001> <011> <Ш> <001> <011> <Ш> <001> <011> <111> 01О °Ш 05ОО 01ООО 05ООО МПа 570 580 630 270 240 290 140 120 140 480 500 530 150 130 200 90 72 100 420 430 470 94 83 150 62 50 70 400 410 440 76 68 130 53 42 60 350 345 370 46 41 90 36 29 40 Таблица 6 Влияние кристаллографической ориентации на пластичность (ер) при длительных (100 ч) испытаниях отливок из сплава ВКНА-1В МОНО Температура испытаний, °С 900 1000 1100 Длительная пластичность ер, %, при кристшюграфической ориентации <001> <011> <111> 15-20 50-90 20-50 25-35 80-100 70-100 12-20 25-30 15-20 1100 <г+ 100 °С (при выдержке х = 1,5 мин) имеют отливки с монокристаллической структурой <111> и наименьшее сопротивление — с равноосной. При этом число циклов до появления первой трещины составляло 1600; 600 и 450 для структур МОНО, НК и Р соответственно. Комплекс физико-механических свойств интерметаллидных сплавов с равноосной и направленной структурой позволил рекомендовать их для технологического и эксплуатационного опробования для сопловых лопаток и других деталей горячего тракта, работающих в интервале температур 900—1200 °С и не испытывающих значительных силовых нагрузок. Сплавы с монокристаллической структурой (кристаллографическая ориентация <111>) рекомендованы для опробования в качестве материала рабочих лопаток. 98
ЖАРОПРОЧНЫЕ И ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ГОРЯЧЕГО ТРАКТА ГТД Технологическое опробование новых сплавов в опытном производстве ГТД показало, что для отливки деталей не требуется специальных керамических форм и технологического оборудования. Процесс производства сплавов и деталей из них проводится по аналогичной технологии, применяемой для промышленных никелевых сплавов, что упростило технологическое и эксплуатационное опробование новых материалов. В табл. 7 приведен технический эффект от замены промышленных никелевых сплавов на интерметаллидные материалы для деталей горячего тракта ГТД. Таблица 7 Технический эффект от использования интерметаллидных сплавов для сопловых и рабочих лопаток Заменяемый Заменяющий Наработка Деталь материал сплав в составе изделия, ч Сопловые лопатки с внутренним охлаждением Рабочие лопатки первой ступени ЖС6 ЖС6У ВКНА-4-Р (равноосные, литые) ВКНА-4У (МОНО), КТО <Ш> 1000 4000 Повышение рабочей температуры ДГ, °С 120 60 Упрощение технологии изготовления деталей Исключение внутреннего охлаждения детали Без пленочного охлаждения воздухом Наряду с этим сплав ВКНА-4 используется для изготовления элементов высокотемпературных камер сгорания и других деталей горячего тракта. Применение сплава ВКНА-1В с равноосной структурой для изготовления цельнолитых сопловых аппаратов позволило повысить рабочую температуру на 200 °С и обеспечить ресурс эксплуатации более 1000 ч. Технологическое опробование и внедрение интерметаллидных сплавов позволяет не только обеспечить надежную работу сопловых и рабочих лопаток ГТД, но одновременно повысить рабочую температуру деталей на 60—200 °С и упростить или исключить систему охлаждения воздухом в их конструкции. В настоящее время проводится комплекс исследований с рядом академических институтов РАН по созданию литейного жаропрочного интерметаллидного материала с пределом сточасовой прочности 120 и 60 МПа при температурах 1100 и 1200°С соответственно (при сохранении плотности < 8100 кг/м3 и жаростойкости до 1250—1300 °С). 7* 99
Глава 4 ВЫСОКОПРОЧНЫЕ, ЖАРОПРОЧНЫЕ И ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫЕ ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ mm И УДК 669.295 В.Н. Моисеев РОЛЬ ВИАМ В СОЗДАНИИ ПЕРВОГО ОТЕЧЕСТВЕННОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА ИЗ ТИТАНА В 1954 г. в рамках программы по созданию межконтинентальных ракет были начаты работы по проекту беспилотных летательных аппаратов большой дальности полета: крылатая ракета «Буря» в КБ С. А. Лавочкина; Р-7 в КБ СП. Королева (баллистическая ракета) и крылатая ракета «Буран» в КБ В. М. Мясищева. Основные требования к этим изделиям были одинаковыми и сводились к следующим: дальность полета 8000 км; скорость полета 3,1—3,5 М\ высота полета 18—25 км; температура на поверхности изделия 300—320 °С. Таким образом, использование алюминиевых сплавов в качестве конструкционного материала исключалось. Оставались стали и более легкий, но мало изученный в эксплуатации титан. Главный конструктор КБ С. А. Лавочкина Н.С. Черняков, ведущий этот проект, по согласованию с ВИАМ принял в конце 1954 г. решение широко использовать технический титан в летающем аппарате «Буря». 100
ВЫСОКОПРОЧНЫЕ, ЖАРОПРОЧНЫЕ Н ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫЕ ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ Внешний вид оснащенной топливными баками крылатой ракеты «Буря», ее схема и размеры представлены на рис. 1 и 2. В изделии «Буря» предлагалось изготовлять из титана цельносварные конструкции крыла, оперения и отсек боезаряда. Сбрасываемые топливные баки планировалось производить из нержавеющей стали. Годы 1954—1955 были периодом, когда совершился переход в технологии плавки титана — от индукционной, в графитовом тигле (что оказалось несостоятельным из-за сильного загрязнения титана углеродом), к дуговой, с вольфрамовым электродом. Это позволило существенно повысить чистоту титана и довести его пластичность до приемлемого уровня, необходимого для конструкционного металла. Важной проблемой явилось отсутствие промышленной поставки листов из титановых сплавов и вообще технологии их изготовления в стране. В тот период ВИАМ располагал единственным конструкционным сплавом марки ВТ1-Д, представляющим технический титан с регламентированным методом отбора (по содержанию примесей) для обеспечения того или иного уровня прочности в пределах от 550 до 950 МПа. Индекс «Д» указывал на то, что металл выплавлен электродуговым методом в отличие от используемой до этого времени индукционной плавки в графитовом тигле (приводящей, как сказано выше, к сильному загрязнению металла углеродом — до 0,5%). Такой металл имел невысокую пластичность и, главное, большой разброс механических свойств, поэтому был мало пригоден как конструкционный материал. Рис L внешний вид крылатой ракеты «Буря» 101
ГЛАВА 4 >'i^> J^1 Титановый сплав марки ВТ1-Д выплавляли из губчатого титана, изготовляемого на Подольском титаномагниевом металлургическом комбинате. Качество титановой губки было невысоким, а главное, она имела нестабильное содержание примесей, сильно влияющих на физико-механические свойства технического титана. Рис. 2. Схема и параметры крылатой ракеты «Буря» 102
ВЫСОКОПРОЧНЫЕ, ЖАРОПРОЧНЫЕ Н ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫЕ ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ ав, МПа 100 ьюоор I 18 80 \- 800 60 5 40 Ь 600 h L 400 1700 2100 2500 2900 НВ, МПа Статистические данные по механическим свойствам листов из сплава ВТ1-Д (450 плавок), полученные в ВИАМ в течение 1954—1956 гг., представлены на рис. 3. Свойства полуфабрикатов (листы, полосы, прутки, поковки) определяли после отжига при температуре 600 °С и последующего охлаждения на воздухе, твердость НВ — на слитках без термической обработки. Большой разброс механических свойств технического титана создавал огромные трудности при использовании его в промышленности. Одной из основных причин такого рассеяния свойств являлось нестабильное содержание в титановой губке таких сильно упрочняющих примесей, как кислород и азот. Было необходимо разделить полученные слитки на несколько групп на самой ранней стадии на основе простейшего метода — определения твердости. В табл. 1 приведена классификация технического титана по группам в зависимости от твердости и соответствующей прочности. Рис. 3. Зависимость между твердостью слитков и механическими свойствами сплава ВТ1- Д (лист) Свойства технического титана различных групп Таблица 1 Группа чистоты технического титана НВ (литое состояние), МПа Механические свойства (горячекованое состояние) v8' МПа Ь III II I >2600 >750 <20 <35 2200-2600 600-750 20-30 35-50 <2200 <600 >30 >50 Только технический титан группы I (более чистый по содержанию примесей) допускал холодную деформацию на 35—50% без промежуточного отжига. Технический титан группы III (более загрязненный) мог подвергаться деформации всего лишь на -10%. Холодная прокатка спла- 103
ГЛАВА 4 bob на основе титана, имеющих более низкую пластичность, явилась бы еще более трудной. Представленный материал убедительно доказывал необходимость повышения стабильности свойств титановой губки и ее качества. Производители титановой губки — цветная металлургическая промышленность — полностью согласились с такой необходимостью и оперативно занялись этой проблемой. На основе статистических данных изготовителей титановой губки и исследований, проведенных в ВИАМ в 1955 году, были сформулированы требования по ограничению содержания примесей в техническом титане (ВТ1-Д, ВТ1), которые сохранились до настоящего времени и для других титановых сплавов (табл. 2). Таблица 2 Химический состав технического титана (ВТ1-Д, ВТ1) т. Примеси, %, не более Fe Si С 02 Н2 N2 Основа 0,3 0,15 ОД 0,15 0,015 0,04 В связи с переходом от тигельной плавки к дуговой с нерасходуе- мым вольфрамовым электродом возникла еще одна проблема: из-за резкого изменения температуры от электрода иногда откалывались кусочки вольфрама, которые не успевали раствориться в титане и выявлялись на полуфабрикатах в процессе их изготовления и механической обработки. Эта задача также была решена — в ВИАМ впервые в России в течение 1956 года была разработана и осуществлена дуговая плавка титана с расходуемым электродом, что позволило получать слитки, не загрязненные включениями вольфрама. Была также решена и проблема изготовления расходуемого электрода — путем непрерывного прессования смеси титановой губки и шихты на гидравлических прессах через коническую матрицу. Этот способ плавки применяется и до настоящего времени. На фоне этих проблем и отсутствия промышленного производства полуфабрикатов из конструкционных титановых сплавов было принято решение — ВИАМ на производственном участке одной из лабораторий организует выплавку слитков массой до 20 кг, а на экспериментальной технической базе (ЭТБ) ВИАМ — участок по производству листов (шириной 700-750 мм, длиной 800—2000 мм и толщиной 0,8-1,2 мм) и других видов полуфабрикатов, необходимых для изготовления изделия 104
ВЫСОКОПРОЧНЫЕ, ЖАРОПРОЧНЫЕ Н ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫЕ ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ «Буря». Основной проблемой было создание технологии производства листов из технического титана, которые ранее в стране не изготовлялись. Требовалось также более глубокое изучение физико-механических и технологических свойств технического титана, производство которого было возможно в соответствии с научно-техническим уровнем отечественной металлургии того времени. Распоряжением начальника ВИАМ Н.Д. Бобовникова была создана бригада сотрудников по различным проблемам, связанным с производством и освоением титанового сплава ВТ1-Д (ВТ1) для изделия «Буря». Проблемой плавки слитков, изучением свойств металла, деформацией, термической обработкой занимались С. Г. Глазунов, К. И. Соколиков, В. Н. Моисеев, вопросами сварки титана — М. В. Поплавко, Л. А. Груздева, химической обработкой и очисткой поверхности металла — В. П. Батраков, Е. П. Тимохина. Важная часть работы возлагалась на ЭТБ ВИАМ (СИ. Сандлер, А. И. Мурзов, В. М. Клинов) по разработке технологии производства листов из титанового сплава и их поставке в КБ им. С. А. Лавочкина. В этих работах также принимали участие В. Н. Моисеев, К. И. Соколиков, В.Ф. Калугин (ВИАМ). ВЫПЛАВКА СЛИТКОВ ТИТАНА И ИХ ПОДГОТОВКА К ПРОКАТКЕ Основным сырьем для приготовления сплавов титана служил титановый порошок или губка, полученные магниево-хлоридным методом. Перед плавкой исходную шихту (титановый порошок) подвергали дегазации в насыпном виде в вакуумных установках ПД-100. Полученные после дегазации большие рыхлые брикеты размельчались на щековой дробилке. Просеянный после дробления титановый порошок просушивали, и в таком виде он служил шихтовым материалом для плавки в дуговой печи. В процессе плавки в рабочем пространстве печи поддерживалось избыточное давление защитной атмосферы. После окончания плавки слиток остывал в печи в защитной атмосфере и извлекался на воздух при температуре 100—150 °С. Продолжительность плавки в среднем составляла 40—45 мин. Масса слитка составляла 14—16 кг, диаметр 150 мм, длина 200 мм. Выплавку слитков титана производили в дуговой печи ВД-1 с вращающимся вольфрамовым электродом, в водоохлаждаемой медной изложнице с применением в качестве защитной атмосферы нейтральных 105
ГЛАВА 4 шшшшшшш? газов — аргона, или гелия, или смеси этих газов в определенных пропорциях. Исходная шихта засыпалась в бункер печи. До начала плавки печь тщательно герметизировали, откачивали до создания вакуума в рабочем пространстве порядка 6,6 Па (0,05 мм рт.ст.) и заполняли защитной атмосферой из нейтральных газов. Перед ковкой слитки обтачивались на токарном станке до полного удаления дефектов литья. Глубина обточки зависела от качества проплав- ления боковой поверхности слитка и обычно колебалась в пределах от 3 до 5 мм. Верх и дно слитка подвергали заторцовке до удаления дефектов. Потери металла на стружку в среднем составляли около 25%. С обоих торцов (верх и дно) и боковой поверхности слитка собиралась стружка для химического анализа. На торцевых сторонах слитка (верх и дно) определяли твердость по Бринеллю (при диаметре шарика 10 мм и нагрузке 3000 кгс). Слитки цилиндрической формы проковывали на заготовки под прокат со средними размерами 30x200x450 мм. Нагрев слитков под ковку производили в электрической печи без применения специальной защитной атмосферы. Максимальная температура нагрева под ковку слитков из сплава ВТ1-Д составляла 950 °С. Нагрев осуществляли в две ступени: медленный подогрев до 600—650 °С и интенсивный нагрев в другой печи до температуры ковки. Время выдержки при нагреве в высокотемпературной печи составляло в среднем одну минуту на 8 мм диаметра слитка. Температура окончания ковки составляла 750—800 °С. После ковки заготовки охлаждались на спокойном воздухе на асбестовом листе. Откованные под молотом заготовки подвергались механической обработке со всех сторон с целью удаления окалины и слоя металла, загрязненного газами при нагреве под ковку. Толщина слоя металла, снимаемого при обработке на строгальном станке, не превышала 1-1,5 мм на сторону. Потеря металла на стружку при данном виде обработки составляла в среднем 10—12% от массы заготовки. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОКАТКИ ТЕХНИЧЕСКОГО ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ Установление температурного режима горячей обработки технического титана (сплав ВТ1-Д) потребовало в первую очередь определения показателей его технологической пластичности при различных температурах и влияния продолжительности выдержки и температуры на окис- ляемость и загрязнение поверхности полуфабрикатов газами — кислоро- 106
ВЫСОКОПРОЧНЫЕ, ЖАРОПРОЧНЫЕ И ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫЕ ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ дом и азотом. Было несомненно, что с повышением температуры пластичность титана будет повышаться, но диффузия газов в металл будет при этом более интенсивной. Были проведены предварительные исследования возможности деформации титана при различных температурах и определена интенсивность диффузии атмосферных газов в зависимости от температуры. Исследовалось также влияние диффузии газов на механические свойства листового титана. Кратковременные испытания при растяжении при различных температурах показали, что технический титан сохраняет достаточную прочность и при повышенных температурах. Так, технический титан группы II (см. табл. 1) при температурах 20, 500, 800 и 900°С имел предел прочности 750, 200, 100 и 35 МПа соответственно (рис. 4). Показатели пластичности (относительное удлинение и сужение) уже при температуре 650 °С имеют достаточно высокие значения. Но для обеспечения низких удельных давлений истечения при горячей деформации оптимальной могла быть температурная область выше 900 °С. Экспериментальная прокатка образцов титана при различных температурах, проведенная для выявления допустимых обжатий, показала, что даже образцы технического титана группы III (см. табл. 1) допускали при температуре 600°С деформацию 30—35% за проход. При нагреве заготовки до 850°С допустимая деформация составляла 55—60% за проход. Холодная дробная деформация при прокатке таких образцов без отжига была равна 10—15%. Технический титан группы I допускал дробную холодную деформацию при прокатке 35—50% без признаков разрушения. Повышение температуры под прокатку позволяло применять более высокие степени обжатия за проход. Приведенные данные свидетельствуют о том, что технический титан уже в интервале температур 600—900 °С обладает достаточной пластичностью, позволяющей осуществлять интенсивную деформацию. Механические испытания при растяжении плоских образцов, вырезанных из листа, прокатанного при 550 °С, показали небольшую анизотро- 0 Рис. 4. Изменение прочности и пластичности технического титана (лист; группа II — см. табл. 1) в зависимости от температуры испытания (кратковременное растяжение) 107
ГЛАВА 4 ^>^>J».> 3fr пию свойств в продольном и поперечном направлениях по отношению к направлению прокатки (табл. 3). Таблица 3 Механические свойства листов из сплава ВТ1-Д (ВТ1) в продольном (Д) и поперечном (П) направлениях Направление Состояние сплава ап , МПа б, % вырезки образца Д Горячекатаный 885 16,3 П -«- 875 12 Д После отжига при 650 °С, 1 ч 779 20,2 П То же 774 20 Прочность материала в горячекатаном состоянии как вдоль, так и поперек направления прокатки имеет повышенное значение (см. табл. 3) по сравнению с исходной прочностью, определенной на круглых образцах, изготовленных из кованого прутка данной плавки (ав = 767 МПа, 5=19,3%). Отжиг при температуре 650 °С продолжительностью 1 ч полностью устраняет анизотропию и сообщает материалу свойства, близкие к исходным значениям. Холодная прокатка приводила к еще большей анизотропии, которая не устранялась и после отжига (табл. 4). Таблица 4 Механические свойства холоднокатаных листов (после отжига при 650 °С, 1 ч) Направление св, 8 \у Угол изгиба, вырезки образца МПа % ^^ Д 660 390 610 ПО П 660 340 500 73 Было ясно, что прокатку тонких листов из технического титана с прочностью 600—750 МПа следует осуществлять в нагретом состоянии. Это обусловливалось и наличием в ВИАМ только двухвалкового прокатного стана, не допускающего высоких удельных давлений при деформации. Чем выше была температура прокатки, тем интенсивнее снижалось удельное давление на валки. С другой стороны, чем выше температура нагрева и больше его продолжительность, тем интенсивнее 108
ВЫСОКОПРОЧНЫЕ, ЖАРОПРОЧНЫЕ Н ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫЕ ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ загрязнение металла газами атмосферы — главным образом, кислородом и азотом. В результате исследований было обнаружено, что такие механические характеристики, как предел прочности и относительное удлинение, после 30-минутной выдержки при температурах не выше 850 °С практически не изменяются. Вместе с тем испытания показали, что уже через 30 мин нагрева в интервале температур 650—800 °С, появляется заметное снижение угла изгиба (рис. 5), которое прогрессивно увеличивается с повышением температуры. Такого ухудшения свойств нельзя было не учитывать при разработке температурного режима прокатки, исходя из того, что листовой материал предназначался в основном для холодной и горячей штамповки и вытяжки. Таким образом, было установлено, что горячая прокатка технического титана при нагреве на воздухе должна осуществляться при температурах не выше 650 °С. Прокатка при более высоких температурах должна проводиться с обязательным удалением диффузионного слоя, загрязненного газами атмосферы. Удаление с горячекатаных листов окалины и загрязненного газами слоя представляет значительные трудности. Толстая грубая окалина, образовавшаяся при температурах прокатки выше 700 °С, могла быть удалена только с помощью пескоструйной очистки (или другими подобными методами). Для удаления слоя металла, загрязненного газами, применялось травление в кислотной ванне (650 см3 Н20 + 350 см3 HNO3 + 50 г NaF). Подобное глубокое травление значительно повышало пластичность (особенно угол изгиба) листового материала, но поверхность травленых листов становилась шероховатой (средняя величина шероховатости достигала 0,01 мм). Окалина, образовавшаяся при температурах прокатки 650 °С и ниже, легко удалялась в расплавленной щелочи (NaOH + NaN03) или кратковременным травлением в кислотной ванне. В этом случае не было необходимости производить глубокое травление, так как загрязненный газами слой практически отсутствовал. Учитывая неизбежное взаимодействие горячего металла с атмосферны- 100 §80 » 60 I 401 S 01 500 600 700 800 900 /, °С Рис. 5. Изменение угла изгиба листов (толщина 1 мм) с удаленной окалиной из сплава ВТ1-Д (I группа — см. табл. 1) после нагрева в течение 30 мин при температурах 500-1000 °С (радиус оправки равен толщине листа) 109
ГЛАВА 4 *csar^ g> ^.jgg^jfr ,?g> ми газами, температурный интервал прокатки сплава ВТ1-Д следует выбирать с таким расчетом, чтобы избежать интенсивного окисления, образования хрупкого газонасыщенного слоя и диффузии газов с поверхности в глубь сечения. С целью устранения наклепа, текстуры деформации и, как следствие, анизотропии свойств вдоль и поперек направления деформации, а также предотвращения опасного влияния газонасыщенного слоя, температура начала прокатки сплава ВТ1-Д была принята равной 650 °С. По разработанной технологии была прокатана первая партия листов. Исследования показали достаточно хорошие технологические свойства: при растяжении плоских образцов материал имел среднюю прочность 730 МПа при удлинении 25%. Опробование на свариваемость выявило высокую способность материала подвергаться сварке всех видов. При испытании на растяжение сварных образцов разрушение происходило, главным образом, по основному материалу вне зоны термического влияния. Металл сварного шва обладал прочностью 780 МПа и хорошей пластичностью (угол изгиба сварного соединения 48—60 град). Оказалось также, что сплав ВТ1-Д не склонен к образованию трещин при самых жестких технологических пробах на свариваемость. Разработанная технология прокатки сплава ВТ1-Д была освоена на ЭТБ ВИАМ. В течение 1954—1957 гг. было переработано на листовые полуфабрикаты размером (0,8—1,5) х 730x2500 мм несколько тонн (считая в слитках) титанового сплава ВТ1-Д. Листы и другие полуфабрикаты (прутки, поковки и т.п.) были поставлены в КБ им. С.А. Лавочкина — из этого металла было изготовлено несколько изделий, на которых проводились летные испытания. Лишь в 1956—1957 гг. началось промышленное освоение производства листов из титанового сплава ВТ1 (ВТ1-Д) на заводе Министерства цветной металлургии (г. В. Салда). Поставка листов осуществлялась по ЦМТУ 4754—56 «Листы из сплава марки ВТ1», толщиной от 0,5 до 6 мм, шириной от 400 до 1000 мм и длиной от 1500 до 2000 мм. Листы планировалось производить двух сортов в зависимости от чистоты титановой губки под марками ВТ1-1 и ВТ1-2 (табл. 5). При освоении производства листов из технического титана ВТ1-1 и ВТ1-2 была полностью использована технология, разработанная в ВИАМ в 1954—1955 гг. Сотрудники ВИАМ также оказывали научно-техническую помощь при освоении технологии производства листов на заводе МЦМ в г. В. Салда. 110
ВЫСОКОПРОЧНЫЕ, ЖАРОПРОЧНЫЕ И ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫЕ ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ ТаШицй 5 Механические свойства отожженных листов из технического титана (ЦМТУ 4754-56) Толщина листа, мм 0,6-1,8 2 и более 0,6-1,8 2 и более 0В, МПа 450-600 450-600 550-700 550-750 о у % (не менее) 30 50 25 50 25 45 20 45 Сплав ВТЫ ВТ1-2 Сотрудники завода главный инженер В. И. Александров, главный металлург И.Н. Каганович, начальник ЦЗЛ С.А. Кушакевич, начальник цеха А. С. Поплаухин и другие внесли большой вклад в освоение серийного производства листов из технического титана, а затем и титановых сплавов. В 1957 году завод МЦМ был объединен с заводом МАП, что явилось важным импульсом в дальнейшем развитии металлургии титана в России. УДК 669.295 В.Г. Анташев, Н.А. Ночовная, Т.В. Павлова, Н.М. Падюкова, В.И. Иванов ЖАРОПРОЧНЫЕ ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ Как известно, основным потребителем титановых сплавов является авиакосмическая промышленность. На ее долю приходится свыше 50% потребления титана [1]. При этом, несмотря на примерное равенство использования титана при производстве планера и двигателя (по 18—20 тыс. т.) [2], титановые сплавы в авиационном двигателестроении занимают существенно более важное и почетное место. Так, в планере масса деталей из титановых сплавов составляет всего 6—9%, тогда как в двигателе 30-39% от массы изделия. Кроме того, условия эксплуатации деталей из титановых сплавов в двигателе значительно сложнее и жестче, а степень ответственности существенно выше, чем в планере. Именно поэтому с самого основания титановой лаборатории в ВИАМ этому направлению разработки сплавов уделялось наиболее при- 111
ГЛАВА 4 <»> iS»1" g»»jg5^> fg> стальное внимание. Основополагающий вклад в теорию, исследования и практику создания жаропрочных титановых сплавов внесли такие известные и заслуженные специалисты, как С. Г. Глазунов, О. П. Солонина, В. В. Тетюхин, В.Н. Неугодова, Н. М. Улякова и многие другие. Уровень разработок и тщательность отработки рецептуры, режимов деформации и ВТМО сплавов оказались столь высоки, что, несмотря на значительное сокращение темпов и объемов исследований за последние 15 лет, конструкторы до сих пор не испытывают сколько-нибудь серьезных проблем с выбором титановых сплавов при проектировании компрессора газотурбинного двигателя, а в 1970-х — начале 1980-х годов отечественные жаропрочные титановые сплавы были лучшими в мире. С середины 1960-х годов по настоящее время специалистами титановой лаборатории, среди прочих, были разработаны сплавы: ВТЗ-1, ВТ8, ВТ8-1, ВТ8М-1, ВТ9, ВТ25У, ВТ18У, которые широко применяются в самых различных изделиях отрасли, таких как НК8, НК8-2, АИ25, Д30, ПС-90А и многих других. Эти двигатели установлены на самолетах серии Ту и Ил, Як и Ан и практически на всех военных машинах. Некоторые свойства созданных в ВИАМ жаропрочных титановых сплавов приведены в табл. 1 [3]. Таблица 1 Свойства* отечественных жаропрочных титановых сплавов Сплав ВТЗ-1 ВТ8-1 ВТ9 ВТ25У ВТ18У ВТ36 При «в 960 980 1030 1080 910 1029 20 °С 5Д 10 10 8 6 7 5 При 500 °С «в 637 587 686 715 705 735 0Ш0 а0,2/!00 540 480 294 588 343 672 372 509 353 666 431 При 550 °С °в - - 784 676 686 а100 а0Д/100 245 392 157 450 215 372 215 500 255 При 600 °С °в - - - 558 637 аШ0 а0,2/1 - - - - 274 117 343 147 Характеристики прочности — в МПа. Для сравнения в табл. 2 приведены аналогичные показатели свойств лучших зарубежных сплавов. Сравнивая данные двух таблиц, можно заметить, что отечественные жаропрочные титановые сплавы в настоящее время уступают лучшим 112
ВЫСОКОПРОЧНЫЕ, ЖАРОПРОЧНЫЕ И ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫЕ ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ Таблица 2 Свойства* зарубежных жаропрочных титановых сплавов Сплав Ti6242 IMI829 IMI834 Til 100 При 20 °С °в 926 931 1029 1010 8,% 15 10 10 10 При 500°С °в 740 620 750 ***" °100 °0,2/100 570 380 500 490 674 480 620 При 550 °С При 600 °С °в 700 600 700 *™** ст100 350 420 500 ■н*- а0,2/100 0в 230 350 509 420 646 350 а100 °0,2/100 - - 300 150 400 220 260 Характеристики прочности - в МПа. зарубежным сплавам IMI834 и Til 100 лишь по показателям сопротивления ползучести при температурах выше 500 °С. Сопоставление химического состава сплавов по алюминиевому эквиваленту Розенберга дает следующие показатели: 12,22(ВТ18У); 11,67(ВТ36); 12,72(IMI834); 13,01 (Til 100). Различие между сплавами недостаточно велико для объяснения большой разницы в сопротивлении ползучести при высокой температуре. Более вероятной является разница в уровне технологической базы, которая за рубежом позволяет получать полуфабрикаты стабильного качества с точно известным оптимальным фазовым составом и типом микроструктуры материала. Кроме того, акценты в показателях свойств расставлены неодинаково: у нас — оптимальное сочетание усталостных и жаропрочных свойств с акцентом на повторную статику; у них - акцент на сопротивление ползучести. На решение этих задач направлены и усилия технологов, приводящие к разным результатам. С целью ликвидации различий в свойствах отечественных и зарубежных сплавов задачи для российских технологов можно сформулировать следующим образом: — оптимизация соотношения диаметра слитка и силы тока при третьем переплаве слитка для получения возможно более мелкой структуры литого металла; — сокращение до возможного минимума продолжительности нахождения полуфабрикатов при температурах выше Тп п во время деформационной обработки; — поиск оптимальной ТМО для получения мелкодисперсной вид- манштеттовой структуры. Ясное понимание существа этой проблемы позволяет надеяться на быструю ликвидацию разрыва в данной области при соответствующих 8 - 5961 113
ГЛАВА 4 ^ > 38>' >-^ > Jgfr усилиях и капиталовложениях. Следует также иметь в виду, что оба лучших зарубежных сплава до настоящего времени находятся в стадии освоения и их свойства (см. табл. 2) получены на лабораторных образцах. Насколько они изменятся при переходе к реальным заготовкам, пока неизвестно, но ясно, что гарантированные свойства заметно снизятся. Несмотря на относительное «благополучие» в области жаропрочных титановых сплавов в настоящее время, сотрудники лаборатории давно и отчетливо понимают, что дальнейших перспектив на повышение рабочей температуры титановых сплавов остается крайне мало. Дело в том, что при температуре 620 °С принципиально меняется механизм окисления ос-фазы титана. Кислород начинает диффундировать через оксидную пленку и проникать в толщу металла, изменяя его свойства в худшую сторону. Возможности легирования с целью торможения проникающего окисления практически исчерпаны, а защитные покрытия при таких температурах и наличии воздушных взвесей либо растворяются в материале деталей, ухудшая его свойства, либо сдуваются с него за счет эрозионного износа. Следует заметить, однако, что полной ясности в области применения защитных покрытий пока нет. По названным причинам основное направление поиска новых жаропрочных композиций все более отчетливо смещается в сторону изучения свойств интерметаллидов титана. Пионером в данном направлении исследований в России, да и в мире, был основатель титановой лаборатории ВИАМ С. Г. Глазунов. Значительный объем исследований, выполненных под его руководством, сделал ВИАМ лидером в этой области материаловедения и привел к созданию сплава ВТИ-1. К сожалению, данный сплав не нашел практического применения по причине неготовности как промышленности — к его производству, так и конструкторов — к его применению. Работы, связанные с созданием отечественных ин- терметаллидных сплавов, продолжаются, и основные усилия сейчас сосредоточены на завершении работ по паспортизации сплава «а2-орто». Его предполагаемые свойства приведены в табл. 3. Помимо работ по сплавам на основе фазы «ос2», ведутся работы и в других направлениях. Однако темпы работ и их объемы не идут ни в какое сравнение с зарубежными. Это происходит по вполне понятным причинам. Для примера можно сказать, что только одна из программ по алюминидам титана в США стоила более 20 млн долл. Все отечественные затраты на решение данной проблемы существенно меньше одной этой цифры. Тем не менее можно отметить, что творческий потенциал специалистов в области жаропрочных титановых сплавов еще 114
ВЫСОКОПРОЧНЫЕ, ЖАРОПРОЧНЫЕ И ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫЕ ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ Таблица 3 Физические и механические свойства интерметаллидного титанового сплава «о^-орто» d, кг/м3 5000 Свойства Е, ГПа 125 °в, МПа 1200 при 20°С 8 у % 6 6 *и. МПа-м^2 35 Свойства 0в, МПа 1000 при 650 °С 3 у % 12 350 Сплав о^-орто не потерян, цели и задачи ясны, зарубежный и отечественный опыт анализируется, а это в случае изменения общей ситуации позволит быстро ликвидировать отставание в темпах исследований, создания научных заделов и не замедлит сказаться на достигаемых результатах. Главное - не опоздать с принятием нужных организационных решений. Библиографический список 1. Аношкин Н.Ф., Лобанов B.C., Ширяев Е.П. Общее состояние производства и применения титана в странах СНГ // Труды 1 Международной научно-технической конференции по титану стран СНГ «Наука, производство и применение титана в условиях конверсии». - М: 1994, с. 17 (ВИЛС). 2. Полькин И. С. Тенденции развития научных исследований, производства и применения титана в зарубежных странах // Там же. - С. 38. 3. Ильенко В.М., Шалин Р.Е. Титановые сплавы для авиационных газотурбинных двигателей // Титан (ВИЛС), 1995, № 1-2 (5-6), с. 25. УДК 669.295 В.Н. Моисеев ВЫСОКОПРОЧНЫЕ ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ ДЛЯ АВИАКОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ Повышение характеристик прочности металлических материалов является одной из основных задач авиационного материаловедения. В этом отношении титановые сплавы являются весьма перспективным материалом, пригодным для длительной работы при достаточно высоких температурах (550-600°С). 8* 115
Millill Многолетние фундаментальные исследования и опыт эксплуатации различных типов титановых сплавов в авиакосмических конструкциях показал, что наиболее перспективным конструкционным материалом являются титановые сплавы, представляющие собой а- и (i-твердые растворы. Сплавы с (а + р)-структурой обладают наилучшим соотношением характеристик прочности, пластичности, трещиностоикости и других показателей, обеспечивающих высокую весовую отдачу, ресурс и надежность изделия. Повышение характеристик прочности твердорастворных сплавов достигается путем упрочнения легированием а- и р-твердых растворов, а также дисперсионным упрочнением смеси а- и р-фаз в процессе упрочняющей термической обработки — закалки и старения (рис. 1). Наибольшей прочностью отожженные сплавы обладают при содержании примерно равного количества а- и р-фаз, что обусловлено максимальной гетерогенизацией микро- и макроструктуры. В закаленном и состаренном состоянии максимум по прочности наблюдается у сплавов, по составу близких к критическому, когда образуется наибольший объем дисперсных составляющих, упрочняющих сплав. Р-стаб. эл., % Микроструктура Внутризеренная структура Рис. 1. Схематическая связь между содержанием р-стабилизирующих элементов, прочностью и структурой твердорастворных (а+р)-титановых сплавов (I I — ос-фаза; Hi — р-фаза): I - в отожженном состоянии; II — в термически упрочненном состоянии (закалка + старение) 116
ВЫСОКОПРОЧНЫЕ, ЖАРОПРОЧНЫЕ И ИНТЕРМЕТДЛЛИДНЫЕ ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ Поскольку упрочнение сплава происходит в основном по названным выше механизмам, то можно считать, что наиболее упрочняемыми сплавами являются (ос+ (З)-титановые сплавы с коэффициентом стабилизации р-фазы (К*) в пределах от 0,8 до 1,4 [1—3]. К таким сплавам можно отнести ВТ16 (Ajj=0,8), BT23 (Ajj=0,8), BT22 (Ajj= 1,05), ВТ35 (Ajj= 1,45) и некоторые другае. Возможности получения высокой прочности на титановом сплаве переходного типа ВТ22 (пруток диаметром 20 мм) отражены на рис. 2. Как следует из представленных данных, для сплава такого типа можно достичь высокой прочности (до 2000 МПа), однако с ее повышением существенно снижаются характеристики пластичности. Тенденция к снижению характеристик пластичности, трещиностой- кости и повышению чувствительности к концентрации напряжений с 200 300 400 500 600 200 300 400 500 600 200 300 400 500 600 Температура старения, °С Рис. 2. Механические свойства сплава ВТ22 (пруток диаметром 20 мм) после различных режимов упрочняющей термической обработки: закалка с 700 (I), 750 (II) и 800°С (III); старение в течение 4 (•), 16 (х) и 64 ч (о) 117
Iliiiiili 1800 1600 h 1400 h 1200 h L Ot 1100 1200 1300 1400 1500 1600 aR МПа увеличением прочности наблюдается у всех высокопрочных титановых сплавов и является основной проблемой при их освоении. Связь между величиной ав? МПа у, % К1с, МПалГм прочности и характеристиками пластичности, трещиностойко- сти и чувствительности к концентраторам напряжений иллюстрируется данными, приведенными на рис. 3 и 4. Выбор критериев, определяющих возможность использования сплавов с большим или меньшим уровнем прочности для тех или иных деталей и конструкций авиакосмической техники, а также допустимых норм по пластичности, трещиностойкости, чувствительности к концентраторам напряжений и другим служебным характеристикам, от уровня которых зависят ресурс и надежность, — это сложная и многоплановая задача. Чаще всего она решается путем анализа условий работы изделия, имеющегося опыта эксплуатации аналогичных изделий, некоторых других факторов, а также оценкой предлагаемого к использованию титанового сплава (прочность, пластичность, трещино- стойкость и другие служебные характеристики) на соответствие рабочим условиям. В некоторых областях применения высокопрочных титановых сплавов сложилось Рис. 3. Связь предела прочности, полученной в результате упрочняющей термической обработки, с другими механическими свойствами титанового сплава ВТ22. Значения а, усе надреза г , мм: в получены при ради- - ОД; 0,75 МПа>/м МПа Рис. 4. Зависимость вязкости разрушения от уровня прочности различных титановых сплавов: о - ВТ22; • - ВТ16; а - ВТ14; а - ВТЗ-1; d - ВТ6; . - ВТ23; х - ВТ20 118
ВЫСОКОПРОЧНЫЕ, ЖАРОПРОЧНЫЕ Н ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫЕ ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ достаточно устойчивое представление о надежном использовании высокопрочных титановых сплавов с теми или иными уровнем прочности и значениями служебных характеристик: - в пассажирских и военных самолетах практически все силовые конструкции можно изготовлять из высокопрочных титановых сплавов со свойствами ов = 1150-1300 МПа ; К1с = 53,8 МПа-м1/2; МЦУ (при Kt= 2,6 и N = 104 цикл): отах > 550МПа; - для дисков и лопаток вентилятора и компрессора низкого давления авиационного двигателя, работающих при температурах до 300— 350°С, используют титановые сплавы сов= 1150—1250 МПа; о£/ав> 1,4; К1с= 57,2 МПа • м1/2; МЦУ (при А^= 3,0 и 7V= 105 цикл): стах> 550 МПа; - для отдельных деталей и конструкций авиакосмической техники можно использовать титановые сплавы с более высокой прочностью, чем указывалось выше. Так, упругие элементы (торсионы, компенсационные пружины и др.) изготовляют с гарантированным пределом прочности от 1200 до 1300 МПа; емкости высокого давления, корпуса твердотопливных двигателей, центрифуги — с ав = 1300—1350 МПа. Современная номенклатура высокопрочных титановых сплавов представлена в таблице. Состав и свойства высокопрочных промышленных титановых сплавов в термоупрочненном состоянии Сплав ВТ6 ВТ14 ВТ16 ВТ23 ВТ22 ВТ22И ВТ37 ВТ35 ВТ32 Химический состав (среднее содержание элементов), % (по массе) Ti-6A1-4,5V Ti-4,5Al-3Mo-lV Ti-2,5Al-5Mo-4,5V Ti-5,5Al-2Mo-4,5V-lCr-0,7Fe Ti-5Al-5Mo-5V-lFe-lCr Ti-3Al-5Mo-5V-lFe-lCr Ti-5Al-5Mo-5V-lFe-lCr-l,7Sn-2,3Zr T1-3A1- l,5Mo- 15V-3Cr-3Sn Ti-3Al-8Mo-8V-lFe-iCr h 0,3 0,6 0,8 0,9 1,2 1,2 1,2 1,5 1,8 °B' МПа 1050 1100 1050 1100 П50 1100 1200 1150 1200 8 не ] 6 6 12 8 8 10 6 7 6 V % менее 20 35 40 18 18 16 14 15 14 кем, Дж/см: 30 30 30 35 35 35 30 35 30 ВТ15 Ti-3Al-7Mo-llCr 2,4 1200 5 12 25 Важной характеристикой высокопрочных титановых сплавов является их прокаливаемость, т. е. способность упрочняться до заданного уров- 119
ГЛАВА 4 ^jpfrJfr»3jBfr ня прочности путем закалки и старения. Прокаливаемость твердора- створных (а+Р)-титановых сплавов зависит от ряда факторов: — легирования сплава (З-стабилизирующими элементами; — температуры закалки; — температуры и продолжительности старения. Исследование зависимости между прокаливаемостью и содержанием р-стабилизирующих элементов (коэффициент стабилизации Ко) при упрочнении сплавов на уровень свойств, предусмотренный действующей технической документацией (см. таблицу), показывает (рис. 5), что с увеличением Кп величина прокаливаемости возрастает для сплавов докри- тического состава. У титановых сплавов с Ао>1 по мере увеличения содержания р-стабилизирующих элементов р-фаза сохраняется при все меньших скоростях охлаждения. На этом основан технологический процесс упрочняющей термической обработки деталей и конструкций без переноса их в закалочную среду, так как метастабильная р-фаза сохраняется при скоростях охлаждения 5-10 К/мин, т.е. при скоростях, соизмеримых со скоростью охлаждения садки вместе с печью. Последующее старение позволяет повысить прочность металла, например сплава ВТ22, до 1150-1250 МПа. Такая технология позволяет подвергать крупногабаритные нежесткие самолетные конструкции, в том числе и сварные, упрочняющей термической обработке в печах с защитной атмосферой и получать их неокисленными и без поводок. Как показала практика, конструкции, изготовленные по такой технологии, обладают повышенными ресурсом и надежностью. Некоторым ресурсом повышения весовой отдачи изделий из титановых сплавов может явиться совершенствование качества металлургического производства (плавка слитков), технологии получения полуфабрикатов и др. (рис. 6). Такие же потенциальные возможности имеются и в процессе изготовления деталей и конструкций в машиностроительном производстве (качество поверхности, контроль внутренних на- ^ п пряжений, использование различных Рис. 5. Зависимость прокаливаемости от коэффициента стабилизации методов облагораживания поверхности р-фазы для титановых сплавов металла) И Др. 120
ВЫСОКОПРОЧНЫЕ, ЖАРОПРОЧНЫЕ Н ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫЕ ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ Еще боЛЬШИе ВОЗМОЖНОСТИ Ч>, % авпип(поТУ) автах(поТУ) повышения весовой отдачи могут быть реализованы при проектировании высоконагруженных конструкций, — в первую очередь, за счет исключения конструктивной опасности создания высоких концентраций напряжений, а также в процессе технологического освоения производства путем использования поверхностного упрочнения и других многочисленных приемов, применяемых в современном машиностроении. Важным направлением повышения характеристик прочности сплавов в авиакосмическом машиностроении является разработка новых высокопрочных титановых сплавов с более гетерогенизи- рованной структурой, чем двухфазные (а + (3)-сплавы. Это сплавы с интерметаллидным типом упрочнения, а также титановые сплавы с метастабильными структурными составляющими. Кроме того, ВИАМ интенсивно разрабатывает новые направления дальнейшего развития высокопрочных титановых сплавов. 1000 1100 1200 1300 ав, МПа Рис. 6. Связь между величиной микрозерна (2>3) и характеристиками прочности и пластичности титанового сплава переходного класса ВТ22 (заштрихована область оптимальных механических свойств) Библиографический список 1. Титановые сплавы. Металлофафия титановых сплавов / Отв. редакторы докт. техн. наук С.Г. Глазунов, докт.техн.наук Б.А. Колачев). - М.: Металлургия, 1980, с. 269-357. 2. Моисеев В.Н Основные направления развития титановых сплавов для современного машиностроения // МиТОМ, 1997, №7, с. 30-34. 3. Моисеев В.Н. Высокопрочные титановые сплавы для крупногабаритных деталей авиационного двигателя // МиТОМ, 2000, №2, с. 34-36.
Глава 5 ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ЗАЩИТНЫЕ И АНТИОКИСЛИТЕЛЬНЫЕ ПОКРЫТИЯ, А ТАКЖЕ УГЛЕ-, СТЕКЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ РАБОТЫ ПРИ ТЕМПЕРАТУРЕ ВЫШЕ 1800 °С УДК 678.86 В.Т. Минаков, С.С. Солнцев КЕРАМОМАТРИЧНЫЕ КОМПОЗИТЫ - МАТЕРИАЛЫ XXI ВЕКА В 1985—2000 гг. в ВИАМ разработан новый класс перспективных высокотемпературных композиционных материалов — керамоматричные композиционные материалы. Впервые в нашей стране созданы научные основы синтеза и технологии совмещения стеклообразующих, керамических, стеклокерамических, стеклокристаллических матриц с углеродными жгутами, тканями, нитевидными кристаллами и волокнами карбида кремния, диоксида кремния, оксида алюминия и другими армирующими компонентами. Новые композиты имеют определенные достоинства и преимущества. К ним относятся небольшая удельная масса, хорошая температу- роустойчивость, высокие термостойкость, прочность и трещиностоикость, химическая инертность и коррозионная стойкость. Недефицитность мат- 122
ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ, УГЛЕ- И СТЕКЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ричных материалов и относительная простота технологии получения открывают перед этими композиционными материалами (КМ) хорошие перспективы применения в авиакосмической технике и двигателестроении. Государственное и коммерческое финансирование указывает на стремление развитых стран (США, Франция, Германия, Китай) не допустить отставания в создании высокотемпературных керамоматричных КМ. Ведутся исследования в области стеклокерамических КМ, включающих волокна из углерода, оксида алюминия, карбида кремния и некоторых других. Необходимость создания керамоматричных композитов связана также с появлением в мировом материаловедении приоритетного направления — композиционных материалов нового поколения для изготовления изделий авиационно-космической техники, работающих при температурах до 1800°С в окислительной среде. Применение углеродных волокон для армирования стекла позволяет получить широкое разнообразие сочетаний волокно—стекло, варьируя которые можно обеспечить широкий диапазон свойств материала. Полученные за рубежом материалы на основе непрерывных углеродных волокон и стекломатриц обладают прочностью до 1500—1600 МПа (табл. 1) и рабочей температурой 600-800 °С. Таблица 1 Свойства композиционных материалов на основе боросиликатного стекла тила DURAN и углеродных волокон* Армирующий наполнитель тзоо Т1000 M40J M55J M60J Свойства армирующего ови, МПа Е, ГПа 3530 7060 4410 3920 3920 230 294 377 540 588 наполнителя d, г/см3 1,76 1,82 1,77 1,93 1,94 Свойства композиционного материала ов и, МПа Д ГПа 684 1249 1173 1434 1647 137 161 180 272 278 Зарубежные данные. Преимущество стеклокристаллической (ситалловой) матрицы заключается в том, что формирование заготовки КМ происходит при сравнительно низких температурах, что уменьшает вероятность снижения прочности углеродных волокон из-за окисления. При термообработке в стек- 123
ломатрице происходит направленная кристаллизация, приводящая к существенному повышению температуры деформации материала под нагрузкой, а в конечном итоге — к повышению рабочих температур КМ. Зарубежные материалы на основе стеклокристаллических матриц, армированных волокнами SiC, в настоящее время обладают прочностью до 1000 МПа (табл. 2) и рабочей температурой до 1250°С. Таблица 2 Свойства композиционных материалов на основе стеклокристалических матриц и волокон карбида кремния д й Свойства армирующею Свойства компшшщоннош Армирующий мддрщщ напоянителя материала наполнитель , овлг МПа Д Ша d, г/см3 ов й, МПа Д ГПа Nicolon LAS 2800 200 2,55 800 CAS 2800 200 2,55 870 130 SAS 2800 200 2,55 1000 Hi-Nicolon BAS 2800 269 2J4 900 160 Композиционные материалы с керамической матрицей, армированной волокнами углерода, карбида кремния, А1203, — к таким КМ относятся материалы типа SiC—SiC и C-SiC - имеют прочность от 100 до 400 МПа при комнатной температуре и 100-250 МПа при температуре 1400-1500°С, а также тещиностойкость КСТ, равную 20-30 кДж/м2. Значительные результаты достигнуты в работах по государственной программе в Японии (Институт авиационных и космических технологий, фирмы Ube Industry, Nippon Carbon), а также в США фирмами Dow Corning и Kaiser (табл. 3). Таблица 3 Свойства керамокерамических композиционных материалов m основе полимерных керамообразующих матриц Страна Армирующий наполнитель Франция - Япония Волокна SiC (Nicolon) Ткань SiC (Тшишо) США Волокна: С (Celion), SiC (Nicolon), алюмоборосшшкатньш (Nextei-312) Ткань SiC (Nicolon) ов н, МПа 400 ПО 350 70-100 220 . Свойства КМ т or» 1400 До 1000 1200 — До 900 4 г/см3 - 19 1,8 1,3-1.5 1,96 124
ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ, УГЛЕ» И СТЕКЛОКЕРАМИЧЕСКНЕ МАТЕРИАЛЫ Керамическая матрица на основе керамообразующих полимеров обеспечивает защиту волокон от окисления. Разработка таких материалов базируется на представлении о переходе «из органики в неорганику» элементоорганических полимеров, что позволяет получать керамическую матрицу заданного состава при относительно невысоких температурах и давлениях. Для получения керамических композиционных материалов разрабатываются полимерные связующие типа поликарбоси- ланов, полисилазанов. Образующиеся в результате пиролиза в инертной среде керамические остатки и смеси SiC, Si3N4 заполняют межволоконное пространство в качестве матрицы. Основные трудности, связанные с реализацией этой технологии, заключаются в преодолении усадочных явлений, чрезмерного адгезионного взаимодействия на границе раздела матрица—волокно, а также в необходимости проведения многократных дополнительных жидкофазных и газофазных пропиток с повторением процесса пиролиза. Представляет интерес КМ, разрабатываемый в ВИАМ под маркой «Стекларм». Этот КМ на основе углеродных волокон и стекломатриц обладает прочностью до 1000 МПа и рабочими температурами до 600 °С. На рис. 1 приведена микроструктура углестеклокерамического композита. Прогнозируется значительное увеличение прочностных и улучшение ряда других свойств этого материала. Рис. 1. Микроструктура (а — х3000; б — х10000) композиционного материала «Стекларм» (матрица — BS, наполнитель — углеродный жгут УКН-П/5000) 125
ГЛАВА Б *e»~jp>* В качестве экспериментальных матричных составов для этого материала исследуются высококремнеземные стекла с повышенной температурой начала деформации, благодаря чему обеспечивается высокая рабочая температура композиционного материала.Установлено отрицательное влияние примесей щелочных соединений, содержащихся в матричных составах, на прочностные характеристики образцов. В ВИАМ разработаны новые КМ на основе стеклокристаллических матриц, армированных непрерывными углеродными волокнами, а также волокнами карбида кремния. Анализ оксидных систем (рис. 2), в которых разрабатываются стеклокристаллические матрицы, показал, что эти системы характеризуются весьма высокой тугоплавкостью кристаллических фаз (табл. 4). Свойства кристаллических фаз на силикатных системах Таблица 4 Система Si02HU20~-Al203 Si02~CaO--Al203 Si02~MgO~Al203 SiO, ~ВаО~А1203 Si02~Sri>-Al203 Кристаллическая фаза $~сподумен Анортит Кордиерит Цельзиан Стронциевый анортит ТКЛР: аЧО6, 1/К 0,9 4,0 2,6 2,7 d> г/см3 2,48 2,74-2,76 2,53 3,10-3,39 Температура плавления, °С 1380 1550 1470 1640 1765 2BaOSiO 20 /40 60 /80 ВаОА1203 Ва06А1203 Содержание, % (по массе) 3Al203Si02 20 АШ 2^3 Рис, 2. Диаграмма состояния системы BaO—A1203—Si02 126
ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ, УГЛЕ- И СТЕКЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Сопоставление данных (см. табл. 4) позволяет сделать вывод, что среди кристаллических фаз, выделяющихся в разных ситаллообразующих системах, кордиерит является наиболее привлекательной матричной фазой вследствие сочетания низкой плотности, небольшого теплового расширения и высокой температуры плавления. В зависимости от состава стеклокристаллические матрицы имеют различные свойства. Матрицы в системе Si02—Li20—А1203 обладают повышенной термостойкостью, так как в них выделяются фазы с аномально низким ТКЛР (р-сподумен, эвкриптит), что хорошо сочетается с тепловым расширением волокон. Материалы в системах RO—A1203—Si02 (где RO: MgO, CaO, SrO, ВаО), в которых выделяются кордиерит, анортит, цельзиан и другие фазы, обладают в 1,5—2 раза более высокими прочностными характеристиками по сравнению с указанными оксидами. Известно, что КМ со стеклокристаллической матрицей стехиометрического состава стронциевого анортита SrO • А1203 • 2Si02 при армировании непрерывными волокнами SiC имеет рабочую температуру 1450—1500 °С и прочность при изгибе 1000 МПа. В качестве армирующего наполнителя для экспериментальных образцов стеклокерамических материалов использовались высокопрочные непрерывные или дискретные углеродные волокна. Надо отметить, что при использовании армирующего жгута, аналогичного по свойствам (ави = 3000-3200 МПа; Е= 230 ГПа; d = 1,75 г/см3) зарубежному углеродному жгуту Т300, разрушающее напряжение при изгибе композита превышает соответствующий показатель для зарубежного аналога. Применение высокомодульных волокон на основе углерода позволяет не только повысить жесткость композиционного материала, но и существенно увеличить реализацию прочности армирующего волокна в КМ. Для создания стеклокерамических композиционных материалов, отвечающих современным требованиям, а также во избежание отставания в данной области, необходимо использовать уже известные и разрабатывать новые высокомодульные и сверхвысокомодульные углеродные волокна, специально предназначенные для армирования стеклокерамических KM. В связи с тем что процесс производства волокна карбида кремния весьма сложен и в нашей стране недостаточно освоен, отечественные волокна карбида кремния уступают по многим показателям зарубежным аналогам (табл. 5). Поэтому в настоящее время есть необходимость разработки новых волокон на основе карбида кремния с системой покрытий на них, позволяющей регулировать взаимодействие на межфазных границах в стеклокристаллических композиционных материалах. 127
ГЛАВА 5 Таблица 5 Сравнительные свойства отечественных и зарубежных волокон на основе карбида кремния Волокно Nicolon Hi-Nicolon SiC (Россия, ВНИИПВ) ави, МПа 2800 2800 1300-2000 Е, ГПа 200 269 130-160 flf, Г/СМ3 2,55 2,74 2,3-2,4 В ВИАМ разработаны композиционные материалы теплозащитного назначения под маркой «Геларм». Эта группа материалов на основе золь- гель матриц и дисперсных наполнителей типа карбида кремния имеет прочность при изгибе —100 МПа и рабочую температуру до 1600-1700 °С. Материал обладает устойчивостью к воздействию высокотемпературных диссоциированных воздушных потоков с Гм= 5000—7000 К. На рис. 3* и 4 представлены свойства экспериметальных образцов стеклокерамических конструкционных и теплозащитных композиционных материалов ВИАМ. В ВИАМ созданы перспективные высокотемпературные (Г б до 1500°С) композиционные материалы типа SiC—SiC. Свойства образцов материала типа SiC—SiC, наполненного дисперсными частицами, полученные на первых этапах исследований: Разрушающее напряжение при изгибе, МПа: при комнатной температуре (20°С) 100-200 при 1500°С♦.., 100-120 Плотность, г/ем3 ♦ . -3 Надо отметить, что керамические композиционные материалы типа SiC—SiC и C-SiC отличаются весьма высокой окислительной стойкостью. При температурах 1500°С потери массы образцов не удается обнаружить в течение 500 ч. Отмечается увеличение массы образцов. Величина привеса может изменяться в зависимости от состава материала и его структуры. Данный эффект может быть объяснен образованием (начиная с 800 °С в окислительной среде) защитной фазы Si02 на поверхности карбида кремния. При более высоких температурах (1600 °С) процесс образования фазы Si02 активизируется и проходит более интенсивно, что может приводить к самозалечиванию дефектов композиционного материала (пор, трещин). Испытания проведены в ЦИАМ (Т.Д. Каримбаев и др.). 128
ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ, УГЛЕ- И СТЕКЛОКЕРДМИЧЕСКНЕ МАТЕРИАЛЫ Данный процесс можно усилить и управлять им направленно, если в материал ввести тонкодисперсные «капсулы». В этом случае при температурах 1400 °С и выше капсулы расплавляются, и паровая фаза кремния заполняет несплошности и дефекты, существовавшие в материале и накопившиеся в процессе работы. При контакте в дефектах и на поверхности материала данной фазы с кислородом окисли- *в.и> 800 400 0 МПа ^^-ч w ■ ■ . ....... ^^ О \ \ Ч- 1 1 1 1 Е, ГПа Ч 80 40 20 400 800 1200 Температура испытаний, 1600 , ос Рис. 3. Зависимость прочности (а, о, •) и модуля упругости (□) стеклокерамических КМ от температуры: а - CAS/SiC; • - BMAS/SiC; о, п - BS/C (ВИАМ) А,,, МПам1/2 40 Г a£f, МПа HV, ГПа Д ГПа Максимальная температура эксплуатации, °С ав20и°, МПа j 2000 рКь Относительная устойчивость к окислению, баллы Относительная стоимость технологии, баллы Рис. 4. Схема-диаграмма свойств (К1с — коэффициент трещиностойкости при 20 °С; HV - твердость по Виккерсу; 0^2°° ~ предел прочности при изгибе при 1100°С) стеклокерамических КМ: стеклокерамический КМ; углеродкерамический КМ; KM C/SiC - SiZrCBO^ 9 - 5961 129
ГЛАВА § «=»> IB» 3»'J5>"> *$> тельной среды будет образовываться защитный слой Si02, что приведет к залечиванию дефектов, повышению трещиностойкости композита и дополнительной защите его от окисления при повышенных температурах. С помощью систем покрытий можно регулировать и обеспечивать необходимую скорость и глубину окисления материала и образование защитной фазы Si02. Для синтеза керамокерамических композиционных материалов также применялись керамообразующие полимеры, армированные высокопрочными углеродными волокнами и нитевидными кристаллами карбида кремния и ультрадисперсными керамическими соединениями. В качестве ультрадисперсных керамических соединений использовались порошки SiC, Si3N4, A1203. Такие материалы обладают достаточно высокими прочностными характеристиками, высокой термостойкостью и значительной эрозионной стойкостью. Для улучшения адгезионных характеристик на границе раздела были изучены методы химической очистки армирующих наполнителей, удаления влаги с их поверхностей путем термической обработки, влияние дисперсности на способность волокон поглощать кремнийорганическое связующее, а также влияние технологических операций на свойства керамического композита. Для получения заданных свойств керамических композиционных материалов на основе керамооб- разующих полимеров исследовалось также влияние технологических параметров процесса их формирования на свойства. В результате проведенных исследований установлена зависимость физико-механических характеристик керамокерамических КМ от температур- но-временных параметров технологического процесса изготовления материалов. На рис. 5 показана зависимость прочности от плотности такого типа материалов. При изучении указанных выше экспериментальных систем композиционных материалов установлено, что их фазовый состав не меняется при повышении температуры до 1300°С. Новые КМ являются перспективными для многих отраслей машиностроения. Высокотемпературные стеклокерамические и керамические композиты могут найти применение в изделиях авиа- ави, МПа 200 150 100 50 П 1 || 1 1,5 2,2 d Рис. 5. Зависимость разрушающего напряжения при изгибе теплозащитных стеклокерами- ческих КМ (ВИАМ), полученных по технологии «золь-гель» (И), при спекании (■) и горячем прессовании (□) от плотности d, г/см3 130
ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ, УГЛЕ» И СТЕКЛОКЕРАМИЧЕСКНЕ МАТЕРИАЛЫ ционно-космической техники; в поршневых и ротационных двигателях; системах теплозащиты и элементах «горячей» конструкции многоразовых орбитальных кораблей и трансатмосферных летательных аппаратов; теп- лонагруженных деталях и элементах термокамер испытательных машин и высокотемпературных газодинамических стендов; конструкциях отражателей и зеркал лазерных локаторов и элементов конструкционной оптики; высокоточных инструментах и метрологии; в конструкциях, где приоритетным является соотношение массы и прочности. За рубежом подобные материалы уже находят применение в качестве деталей и узлов аэрокосмической техники: например, для изготовления теплоконструкционных элементов газотурбинных двигателей морской авиации, а также деталей крепежа и высокотемпературных разъемных резьбовых соединений конструкций и элементов многоразовой теплозащиты и др. В настоящее время ВИАМ совместно с ЦИАМ проводит работы по созданию элементов и узлов компрессора высокого давления (например, бандажные кольца рабочих колес КВД, вставки жаровых труб и т.п. теп- лонагруженные элементы перспективных двигательных установок 6-го поколения). Е.Н. Каблов, С.С. Солнцев ОКСИТЕРМОСИНТЕЗ - НОВЫЙ ШАГ К МАТЕРИАЛАМ ДЛЯ ПЕРСПЕКТИВНОЙ АВИАКОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ Экстремальные условия движения в плотных слоях атмосферы многоразовых авиакосмических летательных аппаратов, в частности при спуске с космических орбит, требуют применения специальных материалов, устойчивых к действию высоких и сверхвысоких (2000—3000 °С) температур в окислительной газовой среде. Традиционные равновесные материалы не отвечают возросшим требованиям. Плиточная теплозащита МКС «Буран», еще недавно восхищавшая мир своими аэродинамическими качествами, термостойкостью и прочностью, имеет ограничения по рабочей температуре (1250 °С). Легкие и прочные углеродные материалы не обладают достаточной работоспособностью в окислительной га- 9* 131
зовой среде при высоких температурах из-за интенсивного окисления. Другие равновесные материалы затруднительно применять из-за их быстрой деградации при высоких температурах, недопустимо высокой удельной массы, хрупкости и т.п. Пришло время создания новых подходов к синтезу и применению материалов для авиакосмической техники с привлечением принципов и обширной информации из живой природы. Самые разные объекты живой природы иллюстрируют наличие эффективной защиты от воздействий среды обитания. Кора дерева, чешуя рыбы, кожа млекопитающих могут служить примерами внешних покрытий, способных обеспечить защиту биологических систем от механических и тепловых воздействий и обладающих свойствами самозалечивания и саморегуляции. Архитектоника костной ткани подтверждает реализацию в живых организмах конструкционно-энергетических принципов при образовании и росте костей. Не менее интересен для разработчиков высокотемпературных материалов и покрытий имеющий место в живой природе процесс фотосинтеза, в результате которого агрессивный компонент земной атмосферы - углекислый газ - под действием солнечной энергии трансформируется растениями в углеводороды и кислород. Новые принципы создания и эксплуатации материалов при высоких температурах, опирающиеся на закономерности функционирования биологических систем, привели к открытию процесса, получившего название «окситермосинтез». Эти принципы вначале были сформулированы в ВИАМ применительно к защитным технологическим покрытиям, а затем распространены на «черные» покрытия многоразовой теплозащиты МКС «Буран», антиокислительные покрытия углеродных материалов и на перспективные углеродстеклокерамические КМ [1,2]. Окситермосинтез — это процесс, в основе которого лежит использование кислорода земной атмосферы и энергии от аэродинамического нагрева, других источников тепла для синтеза тугоплавких оксидов в покрытиях и поверхностных слоях теплонагруженных узлов и деталей. Гипотеза окситермосинтеза материалов рассматривает высокотемпературный материал как компонент динамической системы «газовая среда — материал», трансформация которой происходит в соответствии с законами химической термодинамики. Такие материалы функционально могут быть подобными биологическим системам. Вместе с тем способность материала направленно взаимодействовать с газовой средой с образованием новых соединений, отсутствующих в исходном составе, в том числе с небольшой вязкостью и даже жидких, предполагает возможность 132
ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ, УГЛЕ* И СТЕКЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИМЫ залечивания трещин и пор, релаксации внутренних напряжений, снижения акустических и вибрационных нагрузок. Взаимодействие кислорода атмосферы с компонентами покрытия, материала с образованием новых, более тугоплавких соединений с хорошей устойчивостью при высокой температуре позволяет уменьшить вероятность окисления и разупрочнения несущих конструкций, диффузию кислорода к ним. При этом имеют место параллельные и последовательные химические и диффузионно-химические взаимодействия между компонентами системы без нарушения устойчивости покрытия, материала в целом. Зарождение, развитие и деградация материала определяются в основном термическим фактором (уровень и продолжительность воздействия высокой температуры), давлением и запасом веществ, способных поглощать кислород газовой среды. Защитное действие покрытий определяется совокупностью процессов на границах раздела газовой среды и поверхности покрытия, между покрытием и подложкой на межслойных границах. В зависимости от химического и фазового составов покрытия и взаимодействующих фаз реализуются антиокислительные, теплоизоляционные, антифрикционные, оптические или антикаталитические свойства окситермогенных слоев на защищаемой поверхности. Для реализации окситермосинтеза теплозащитных антиокислительных покрытий материалов используются три типа химических реакций: окисления—восстановления, стеклообразования и спекания. В реакциях окисления атмосферным кислородом исходных компонентов покрытий могут участвовать, например, кремний, бор, бориды, силициды типа SiB4, MoSi2 и др. В этих реакциях определяющими являются переходы типа 2s2 2/?1 -> 2s12/?2 с образованием и разложением силикоборидов и силицидов по схемам B6Si + 1,502-> В203 + B4Si; 3Si02 + 16В -> 3B4Si + 2В203; 2B4Si + 402 -> 2В203 + Si02 + B4Si. Особый интерес представляют процессы образования новых структурных форм из бескислородных соединений и оксидов, имеющих один, два и даже три одинаковых элемента—стеклообразователя. К ним относятся, прежде всего, кремний и бор. Именно эти элементы Периодической системы элементов Д. И. Менделеева являются основой многих высокотемпературных соединений и материалов и им принадлежит ведущая роль в процессах окситермосинтеза окситермогенных покрытий 133
ГЛАВА S ««*>%» >jBfr> *8> и материалов. Например, при разработке эрозионностойких терморегу- лирующих покрытий для плиточной тепловой защиты МКС «Буран» была создана технология получения и изготовлены опытные партии тетраборида (SiB4) и гексаборида кремния (SiB6). Применение этих соединений в «черных» покрытиях обеспечило не только весьма высокую (более 0,9) степень черноты поверхности многоразового космического корабля, но и (за счет окситермических реакций борида кремния с матричным высококремнеземным стеклом) выдающуюся термостойкость, термостабильность при температуре 1250 °С и огненнополированную поверхность покрытий с высоким аэродинамическим качеством. Возможность получения столь высоких характеристик покрытий объясняется, по нашему мнению, формированием уникальной структуры материала в результате химических реакций между кислородом атмосферы, боридом кремния и матричным высококремнеземным стеклом. При этом важнейшее значение, вероятно, имеет образование уникальной химической связи между оксидной и бескислородной составляющими вещества покрытия. Предполагается образование химических связей типа I I I —О—В— Si—0-В= и =В—О—Si—B=Si— . I I Послойный рентгенофазовый анализ и сканирование электронного зонда по поверхности и срезам покрытий показали, что синтезированное вещество покрытия состоит из тугоплавкой матрицы и стеклофазы, которая заполняет межфазные области по границам зерен, поры, трещины, капиллярные каналы. Поверхностный слой стеклофазы служит барьером на пути кислорода из газовой среды во внутренние слои покрытия. Оксидные соединения имеют максимальную концентрацию вблизи внешней границы раздела с газовой средой. В результате реакций в покрытии образуется несколько слоев, различающихся по химическому и фазовому составам и термохимической устойчивости. В каждом слое содержание определенных компонентов оказывается преимущественным. Регулирование процессов химических и фазовых превращений позволяет обеспечить заданный срок службы и рабочую температуру покрытия. Рабочая температура и термостойкость покрытий возрастают при увеличении содержания тугоплавких и стеклообразующих соединений. Послойный рентгенофазовый анализ показал, что изменение содержа- 134
ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ, УГЛЕ- И СТЕКЛОКЕРДМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ния компонентов типа Zr02, ZrSi04 по толщине покрытия после высокотемпературных испытаний качественно совпадает с тенденцией изменения содержания Zr и Si в слоях покрытия, контактирующих с газовой средой. Эффективность защитного действия покрытия зависит также от возможности постоянного дообразования новых фаз за счет окисления исходных компонентов. Экспериментальные исследования и испытания окситермогенных материалов и покрытий подтверждают правомерность разрабатываемых положений окситермосинтеза. При температуре 1000—1300 °С в поверхностных слоях образцов, содержавших в своем составе кремний, накапливаются фазы типа MeSi. Повышение температуры уменьшает содержание фазы MeSi и приводит к образованию фазы Me3Si2. Дальнейший рост температуры до 1600°С сопровождается увеличением содержания новой фазы (рисунок, а, б). При синтезе окситермогенных покрытий важную роль играют кремний и диоксид кремния. В исходном состоянии диоксид кремния может отсутствовать в покрытии. Этот оксид образуется при синтезе за счет кислорода газовой среды, а его количество в покрытии может возрастать в процессе службы покрытия в окислительной газовой среде (рисунок, в). Важное значение имеет содержание кристаллических модификаций Si02: ос-кварц, а- и р-кристобалит, (3-тридимит. С ростом температуры и продолжительности испытаний содержание кристаллических фаз может увеличиваться, особенно кристобалита. При температуре 1600°С содержание кристаллических фаз Si02 может достигать 50%. Для Изменение содержания (С0 - исходное; С — после нагрева в окислительной среде) силицида гафния HfSi (д), дисилицидд гафния Hf3Si2 (б) и диоксида кремния Si02 (в) в материале покрытия в зависимости от температуры, давления и продолжительности испытаний: а - Р« 3 кПа (0,03 ат) (•); Р« ЮОкПа (1 ат) (■); б — Р« 3 кПа (0,03 ат); в — продолжительность испытаний (?« 100 кПа) 10 (о) и 50 мин (□) 135
уменьшения кристаллизации Si02 целесообразно вводить компоненты, которые способствуют образованию двухкомпонентных и поликомпонентных стеклофаз, например борный ангидрид, повышать чистоту исходного сырья. Большое влияние на термохимическую устойчивость и сопротивление деградации оказывает строение защитных слоев и конструкция покрытия. Разработана и изучена конструкция многослойного покрытия на углеродкерамическом композиционном материале, которая включает в себя внешний стеклокерамический слой, кремнеземнооксидный, окси- карбидный и карбидный слои. Определена ограниченная область термодинамической устойчивости высокотемпературных соединений циркония, гафния, иттрия и некоторых других металлов, которые можно рассматривать в качестве компонентов внешнего слоя покрытия. Упругость пара компонентов покрытия и давление в газовой среде в значительной мере определяют максимальную рабочую температуру и срок службы покрытия. Изменение давления газовой среды от 5 до 100 кПа (от 0,05 до 1 ат) увеличивает время жизни некоторых составов покрытий при 1800 °С в 2-3 раза. Впервые получены окситермогенные самозалечивающиеся покрытия для защиты углеродных материалов при температуре 1550 °С в течение 500 ч. Отмечена линейная зависимость уменьшения массы образцов от продолжительности испытаний, а максимальные абсолютные значения потери массы не превышали 1,2 и 1,5% за 400 и 500 ч соответственно. Эти уникальные «умные» покрытия и композиционные материалы, способные к самозалечиванию и самовосстановлению, открывают новые исключительные возможности для создания антиокислительной защиты, теплозащиты элементов конструкций планеров самолетов и газотурбинных двигателей новых поколений путем введения «активных компонентов» в виде дисперсных частиц, капсул или прекурсоров, определенным образом размещенных по объему либо по площади покрытия, материала, детали. В эксплуатационных условиях частицы, капсулы и прекурсоры используются как основа для образования соединений и веществ, которые залечивают трещины, поры и другие дефекты, либо связывают агрессивные компоненты окружающей среды (кислород, азот). Частицы и капсулы, например типа SiB4, подобно костным ламеллам создают преобладающее направление естественного армирования. В покрытиях могут формироваться многослойные структурные элементы наподобие остеонов (образующихся из ламелл в среднем слое толщины стенки 136
ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ, УГЛЕ- И СТЕКЛОКЕРДМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ кости), являющиеся определенной пространственной структурой естественного армирования. Таким образом, учеными ВИАМ предложен новый нетрадиционный подход к созданию высокотемпературных окситермогенных материалов и покрытий, способных к самоорганизации и самозалечиванию, основанный на использовании для синтеза неорганических соединений кислорода земной атмосферы и тепловой энергии, выделяющейся либо при аэродинамическом трении воздуха о поверхность образца, модели, летательного аппарата либо при высокотемпературном нагреве в статических условиях в обычной атмосфере воздуха. По технологии окситермосинтеза материалов разработаны высокоэффективные антиокислительные окситермогенные покрытия, работоспособные при температуре до 2000 °С, для теплозащитных углеродкерами- ческих материалов. Библиографический список 1. Солнцев С С Защитные технологические покрытия и тугоплавкие эмали. — М.: Машиностроение, 1984. - 255 с. 2. Солнцев С С Окситермосинтез покрытий при движении летательного аппарата в атмосфере земли.//Авиакосмическая техника и технология, 2000, № 4, с. 29. С.С. Солнцев, В.А. Розененкова, Н.В. Исаева, В.В. Швагирева ПРИМЕНЕНИЕ СТЕКЛОКЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ И ПОКРЫТИЙ В АВИАКОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКЕ Тугоплавкие стеклокерамические материалы* характеризуются высокими эксплуатационными и физико-химическими характеристиками при работе в качестве защитных технологических и жаростойких покрытий для сталей и сплавов, что обусловлено преимуществами поликомпонентных силикатных стекол и их сочетаний с тугоплавкими оксидами, металлами, интерметаллидами. В проведении исследований принимали участие: Е. В. Семенова, Н.Н. Иващенко- ва, Н.Н. Симонова, Н.А. Миронова, Ю.К. Капитонов, И.Н. Донианц, Е.М. Мягкий, А.Н. Лебедчикова, B.C. Каськов, Г.А. Соловьева. 137
ГЛАВА § *^>38» >^> 3fr Защитные технологические покрытия (ЗТП) для высоко- и среднеле- гированных сталей, титановых, циркониевых, никелевых, интерметаллид- ных (Ti3Al; Ni3Al), бериллиевых, ниобиевых, молибденовых, вольфрамовых сплавов (литых, деформируемых и гранулированных) работоспособны до температуры нагрева 1700 °С. В конце 1960-х годов при изготовлении титанового планера знаменитой «сотки» на Тушинском машиностроительном заводе возникла проблема безокислительной термической обработки сварных швов крупногабаритных деталей из новых высокопрочных коррозионностойких сталей переходного класса, титанового листа. Соответствующих печей с объемом рабочего пространства для термообработки деталей в нейтральной среде или вакууме на заводах не было. Но даже при наличии таких печей только для обеспечения потребностей Тушинского машзавода необходимо было бы построить специальный завод по производству аргона. Аналогичная ситуация складывалась и в г. Горьком (Нижнем Новгороде), где полным ходом шла подготовка к серийному выпуску уникального МиГ-25. Проектирование и строительство специальных печей требовало много времени, было очень дорого и не гарантировало необходимого качества деталей. Механическая обработка закаленных стальных деталей оказалась весьма затруднительной из-за высокой твердости и прочности окисленной поверхности деталей. Кроме того, окисление и обезлегирование в результате окисления при термообработке поверхностных слоев деталей резко ухудшают механические и антикоррозионные свойства сталей типа ВНС-5 и ВНС-2. В результате серийное производство истребителя МиГ-25 не удавалось наладить из-за высокой трудоемкости и материалоемкости изготовления крупногабаритных стальных деталей, а также из-за отказов станков с ЧПУ и большого расхода режущего инструмента из твердого сплава ВК-8. ВИАМ предложил простой и эффективный способ безокислительного нагрева деталей под слоем специального защитного технологического покрытия (автор — С. С. Солнцев). В основу разработки ЗТП легли комплексные исследования закономерностей изменения свойств и структурных особенностей строения гетерогенных многокомпонентных стеклокерамических систем. Полифункциональность этих покрытий обеспечивает возможность использования их защитных, смазочных и теплоизоляционных свойств в традиционных процессах термической обработки, объемного деформирования при ковке, штамповке, прессовании, раскатке, а также в качестве разделительных пленок для контактирующих поверхностей при 138
ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ, УГЛЕ* И СТЕКЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ реализации ресурсосберегающих технологий — изотермического деформирования и деформирования в состоянии сверхпластичности сплавов. К числу наиболее актуальных задач, решаемых с помощью технологических покрытий, относятся защита от окисления и обезлегирования поверхности при производстве заготовок и деталей из коррозионностой- ких деформируемых сталей, а также точнолитых деталей из коррозион- ностойких теплопрочных и высокопрочных сталей. Важной особенностью большинства стеклокерамических составов ЗТП для коррозионнос- тойких сталей является многофазность и отсутствие либо весьма малые содержания в них оксидов щелочных металлов, а также высокое содержание тугоплавких керамических добавок. В процессе термообработки в печах с воздушной атмосферой защитное покрытие ЭВТ-100 обеспечивает безокислительный нагрев коррози- онностойких сталей типа ВНС-2, ВНС-5, 10Х18Н10Т, литейных ВНЛ-3, ВНЛ-6, ВНЛ-9; покрытие ЭВТ-70А — высокопрочных сталей типа 30ХГСН2А, ВКС-8; при этом сохраняются плавочный состав, заданная структура и механические свойства изделий. После термообработки покрытие скалывается, при этом снижается трудоемкость последующей обработки деталей — пескоструйной (в 3—5 раз) или механической (в 1,5—2 раза). Для защиты от окисления жаропрочных никелевых сплавов в процессе термической обработки, штамповки, прессования разработаны покрытия, представляющие собой сложные гетерогенные системы на основе многофазных стеклокерамических композиций. Эффективность защиты обеспечивается достаточно высокой вязкостью и плотностью защитных слоев, химической инертностью, формированием покрытия при температурах ниже температуры начала интенсивного окисления сплава. Покрытия предназначаются для защиты сплавов от окисления и обезлегирования, а также от воздействия агрессивных сред при ГИП- процессе. Особенностью структуры окисленной поверхности жаропрочных никелевых сплавов является наличие дефектного обезлегированного слоя. ЗТП позволяет исключить его образование и получить однородную структуру /-фазы с карбидными внедрениями. Защитные технологические покрытия ЭВТ-107, ЭВТ-108, ЭВТ-109 предназначены для защиты точнолитых деталей сложной конфигурации из сплавов ВЖЛ-14, ЖСЗ-ДК при термообработке до 1200°С; покрытия ЭВТ-52, ЭВТТ-53 — при штамповке точных лопаток ГТД; покрытия ЭВТ-106, ЭВТ-107 обеспечивают защиту деталей из жаропрочных литей- 139
ных сплавов от окисления, позволяют повысить качество и надежность деталей. С учетом высокой реакционной способности титановых и циркониевых сплавов к окислению и газонасыщению при высокотемпературных нагревах разработана серия ЗТП, применяемая практически при всех технологических операциях горячей обработки титановых сплавов, включая ковку при температурах выше 1200 °С, термообработку при температурах 650 °С, а также процесс объемного и локального деформирования в состоянии сверхпластичности. Защитные покрытия ЭВТ-24, ЭВТ-24К, ЭВТ-110, ЭВТ-ЮОК широко используются при объемной штамповке и ковке как крупногабаритных полуфабрикатов и слитков массой более 100 кг, так и сложнокон- турных штамповок, к которым относятся лопатки ГТД из титановых сплавов. ЗТП сохраняются на заготовках при штамповке в два перехода и могут быть использованы для защиты от окисления при их последующей термической обработке. ЗТП являются эффективными высокотемпературными смазками при обработке давлением как на молотах, так и на прессах, обеспечивают снижение коэффициента трения ц до 0,01—0,005, удельных давлений деформации на 20—30%. ЗТП выполняют функции теплоизоляции и позволяют снизить скорость охлаждения заготовок в 2—5 раз, расширить температурный интервал деформации металла. Покрытия уменьшают содержание кислорода в заготовке (в 10—15 раз) и глубину газонасыщенного слоя (в 2—3 раза). Технико-экономические показатели применения ЗТП, например, для штампованных заготовок из сплава ВТЗ-1 при производстве дисков компрессоров показывают (табл. 1) преимущество использования покрытий в процессе технологических операций. Технико-экономические показатели применения ЗТП могут изменяться в зависимости от особенностей процесса деформации, сложности формы и массы обрабатываемых заготовок (табл. 2), в частности лопаток, дисков компрессоров ГТД. Защитные покрытия ЭВТ-7, ЭВТ-26, ЭВТ-26М, ЭВТ-26М2 обеспечивают безокислительный нагрев при термообработке титановых сплавов и высокий уровень механических свойств, аналогичный уровню при проведении термообработки в инертной среде. Освоение ресурсосберегающих технологий изотермического деформирования и деформирования в состоянии сверхпластичности потребовало 140
ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ, УГЛЕ- И СТЕКЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Технико-экономические показатели применения защитных технологических покрытий Параметр Таблица 1 Расход материала, кг Масса заготовки, кг Масса штамповки, кг Число ударов молота Коэффициент использования металла (КИМ) Стойкость штампа (количество штамповок) Стойкость режущего инструмента (количество обработанных заготовок) Значения параметров для точной с покрытием ЭВТ-24 32 20,5 19 3-5 0,28 150-200 130 без штамповки покрытия 48 29,5 25,2 8-10 0,2 100 100 Таблица 2 Эффективность штамповки титановых сплавов с защитым технологическим покрытием и без покрытия Штамповка деталей Лопатка: с покрьгшем без покрытия Диск: с покрытием без покрытия Кронштейн: с покрытием без покрытия заготовки 5 7 10 14 72,5 82,5 Масса, кг штамповки 3,2 5 7 10 60 63 детали 1,5 1,5 2,7 2,7 36 36 разработки новых теоретических основ синтеза покрытий с качественно новым уровнем свойств, обеспечивающим возможность проведения термомеханических режимов объемного и локального деформирования титановых и никелевых сплавов. Созданы новые ЗТП, характеризующиеся прочной внутренней структурой в сочетании с высокой пленкообразующей способностью, чтобы надежно защищать контактные поверхности от сваривания при степенях деформации свыше 60%. Такие покрытия, кроме того, обладают регламентированным коэффициентом контактного трения. 141
ГЛАВА S «в»Зе» 388* ^j&^i^ При изотермической штамповке и раскатке в сверхпластичном состоянии жаропрочных и высокопрочных титановых сплавов используются покрытия ЭВТ-87, ЭВТ-88, ЭВТ-35; жаропрочных высоколегированных никелевых сплавов — покрытия ЭВТ-36, ЭВТ-7Т. Покрытия позволяют реализовать процессы изотермического деформирования, получить точные сложноконтурные штамповки с тонкими элементами с коэффициентом необрабатываемых поверхностей 0,9 за один технологический переход при степенях деформации до 80—90% (могут легко удаляться из штампа, обеспечивают высокое качество поверхности). При синтезе ЗТП для деформирования тугоплавких малопластичных сплавов на основе ниобия, молибдена, вольфрама, бериллия была решена проблема исключения окисления и обезлегирования с образованием летучих оксидов ингредиентов сплавов на начальных стадиях формирования высокотемпературных покрытий. Сложный многокомпонентный состав покрытий ЭВТ-37, ЭВТ-69, ЭВТ-78 отличается хорошей температуроустойчивостью, растекаемостью, образует на границе раздела сплав—покрытие за счет встречной диффузии пассивирующий слой с жаростойкостью более высокой, чем у основы. ЗТП позволяют надежно защитить сплавы на основе Nb, Mo, W при нагревах, снизить глубину дефектного слоя в 10 раз, удельное давление течения при прессовании на 25—30%, исключить трещинообразо- вание в процессе деформирования. Защитные покрытия ЭВТ-26У, ЭВТ-23У, ЭВТ-88У на бериллии в комплексе с пассивной пленкой резко уменьшают скорость коррозионных процессов, препятствуя диффузии агрессивных компонентов из газовой среды, химическим реакциям, происходящим на границе среда- покрытие—пассивная пленка—металл под действием высоких температур, и обеспечивают качественную защиту бериллия при нагревах до 1000°С от окисления и сублимации токсичных соединений. Таким образом, без защитных технологических покрытий на отечественных авиационных заводах практически нельзя изготовить планеры самолетов типа МиГ, Су и др., так как заводы не имеют соответствующих печей с контролируемой средой для безокислительной термической обработки крупногабаритных деталей из коррозионностойких сталей и титановых сплавов. Защитные технологические покрытия для сталей и сплавов позволяют проводить безокислительный высокотемпературный нагрев в печах с воздушной атмосферой, снизить глубину обезлегиро- ванного и газонасыщенного слоя (в 2—3 раза), повысить коэффициент использования металла (на 20—30%), выход годного металла (на 5—8%), 142
ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ, УГЛЕ* И СТЕКЛОКЕРДМИЧЕСКНЕ МАТЕРИАЛЫ снизить трудоемкость и энергоемкость штамповои оснастки и режущего инструмента (в 1,5—2 раза). Разработанные ЗТП являются пожаро-, взрывобезопасными, экологически чистыми. Технологический процесс получения покрытий не требует специальных капитальных вложений при их внедрении в производство. Диэлектрические и резистивные покрытия (пасты). Важной задачей, которую позволяют решить стеклокерамические покрытия, является разработка высококачественных диэлектрических и резистивных паст, не содержащих драгоценных металлов, для изделий авиационной и электронной промышленности. Разработана концепция синтеза, определены методологические подходы к созданию паст и покрытий, состоящих из термодинамически устойчивого каркаса (матрицы) и комплексного керамического наполнителя. Образцы с синтезированными покрытиями, прошедшие испытания на ресурс 1000 ч (при 400 °С), были исследованы методом рентгеноспек- трального анализа на микроанализаторе «Камебакс». Результаты исследований показали, что в зонах контакта электроизоляционного покрытия с пленочным нагревателем не обнаружено признаков проникновения контактируемых материалов ни в исходном состоянии (после вжигания), ни после проведения длительных испытаний. Использование диэлектрических паст позволит заменить керамическую подложку для гибридных интегральных схем на металлодиэлектри- ческую, повысить долговечность, термостойкость изделий. Разработанные резистивные пасты без драгметаллов с сопротивлением > 0,5 Ом/п и рассеиваемой мощностью до 40 Вт/см2 обладают свойствами (рабочие температуры и удельная мощность), сравнимыми со свойствами соответствующих паст фирм Du Pont, Ferro. По некоторым свойствам разработанные в ВИАМ диэлектрические и резистивные пасты без драгметаллов не имеют аналогов среди известных толстопленочных материалов. Например, кратковременный нагрев до температуры 500 °С не изменяет основные свойства резистивной пасты, т.е. сохраняются удельное сопротивление и температурный коэффициент сопротивления. Технологические свойства резистивных паст позволяют в едином технологическом цикле изготовлять плоские нагревательные элементы как на керамической, так и на металлической основах. Нагреватели, изготовленные на основе диэлектрических и резистивных паст, разработанных в ВИАМ, дешевы, долговечны, стабильны, экологически безвредны. 143
ГЛАВА S <«»>^>ДЕ>3|» Жаростойкие покрытия для защиты деталей ГТД. Лучшие из известных жаропрочных никелевых, железоникелевых сплавов, обладая необходимыми показателями механической прочности при высоких температурах, не удовлетворяют требованиям по жаростойкости, горючести при высоких давлениях в среде сильного окислителя. Основным видом повреждения поверхности деталей ГТД является высокотемпературная газовая коррозия. Интенсивное воздействие потока продуктов сгорания серийных топлив на поверхность жаропрочных авиационных сплавов вызывает развитие процесса их необратимого разрушения и потери прочности. Для защиты обширной номенклатуры жаропрочных сплавов, применяемых в авиационных газотурбинных двигателях, разработаны жаростойкие стеклоэмалевые (ЭВ-55А, ЭВ-300-60М, ЭВ-114, ЭВ-86) и стек- локристаллические покрытия (ЭВК-103, ЭВК-103М, ЭВК-112, ЭВК-127 и др.) на основе сложных смесей оксидов и тугоплавких соединений. Покрытия обладают прочным сцеплением с поверхностью жаропрочных сплавов и высокой устойчивостью в скоростных агрессивных газовых потоках. По своим техническим и эксплуатационным характеристикам покрытия не имеют мировых аналогов и значительно превосходят жаростойкие покрытия, полученные физическими методами. Жаростойкие стеклоэмалевые и стеклокристаллические покрытия характеризуются прочной химической связью, объемной микрокристаллизацией, газоплотностью, что обеспечивает их высокую стойкость к агрессивным средам, жаростойкость и термостойкость при длительном воздействии температур 900—1150 °С (рисунок). Привес сплавов на никелевой основе при температуре 1000 и 1100°С составляет 0,14—0,19 и 0,42—0,62 г/(м2-ч) соответственно. Применение покрытий снижает окисляемость сплавов в 5—8 раз и обеспечивает их эффективную защиту. Стеклоэмалевые и стеклокристаллические покрытия устойчивы к действию низких температур, выдерживают тепловой удар и коррозионные циклические нагрузки без разрушения. Общая коррозионная стойкость покрытий достаточно высокая; покрытия не склонны к коррозии под напряжением, стойки к авиационным топливам и выдерживают более 250 теплосмен при переменном нагреве и охлаждении по режиму (900-1100°С) <->20°С. Покрытия широко внедрены в промышленность практически на всех отечественных авиадвигателях. Применение покрытий позволяет повысить надежность и ресурс изделий в 1,5—2 раза. 144
ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ, УГЛЕ- И СТЕКЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИМЫ Диаграмма уровня рабочих температур стеклокерамических КМ и покрытий различного назначения: I 1 — мировой уровень; НН — выше мирового уровня; ИИ — перспектива В последние годы для защиты жаропрочных высокотехнологичных сплавов на никелевой основе нового класса с низким ТКЛР: а-106< 13,0 1/К (ВЖ157, ВЖ160) - разработаны жаростойкие стеклоэмалевые покрытия ЭВК-117 и ЭВ-116, обеспечивающие защиту сплавов в общеклиматических условиях при температурах 800—1000 °С. Для защиты высокопрочных листовых сплавов ВЖ159, ВЖ155, предназначенных для изготовления особотеплонапряженных деталей и узлов ГТД, разработаны жаростойкие покрытия ЭВК-104А и ЭВМ-ЗУ, применение которых снижает окисляемость сплавов на 60—80% и обеспечивает эффективную защиту от газовой коррозии в интервале температур 1100-1200 °С. Одним из факторов, определяющих эксплуатационные показатели эмалированных деталей, является сплошность эмалевого покрытия. В процессе рихтовки, сборки узлов, транспортировки деталей с эмалевым слоем возможно нарушение слоя покрытия с образованием местных 10 - 5961 145
ГЛАВА 5 «»>^ >£►>%► дефектов. Детали с поврежденным покрытием не допускаются к эксплуатации. Для восстановления работоспособности эмалированных деталей ГТД из жаропрочных никелевых сплавов разработаны и применяются ремонтные покрытия типа ЭВР. Покрытия ЭВР не требуют высокотемпературного обжига, формируются на воздухе, вьщерживают до 50 теплосмен и снижают окисляемость сплава в 1,2—1,8 раза при наличии дефектов, площадь которых составляет от 3 до 15% от общей площади поверхности эмалированных деталей. Эрозионностойкие терморегулирующие покрытия для рабочих температур до 1250°С разработаны для многоразовой плиточной теплозащиты воздушно-космической системы (ВКС) «Буран». Указанные покрытия выполняют как вспомогательные функции защиты волокнистых теплоизоляционных плиток от механического, эрозионного, климатического, химического и термохимического повреждения, так и собственно теплозащитные функции по минимизации нагрева внешней поверхности гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЛА) на этапе аэродинамического торможения в плотных слоях атмосферы. Тепловой поток к поверхности теплоизоляционных плиток может возрастать примерно в 1,5 раза в случае рекомбинации атомов азота и кислорода в пограничном слое. Низкая каталитическая активность покрытия по отношению к реакциям гетерогенной рекомбинации обеспечивает минимальное энерговыделение и снижает приток тепла к поверхности ГЛА. Высокая терморадиационная способность покрытия (степень черноты >0,8) способствует максимальному переизлучению поглощенной тепловой энергии. Эрозионностойкие покрытия имеют невысокую стойкость к механическим повреждениям, которым подвергается плиточная теплозащита на этапах подготовки к старту и межполетного обслуживания. Основными направлениями усовершенствования плиточной теплозащиты являются повышение рабочей температуры материалов плитки и покрытия, снижение массы плиток и уменьшение повреждаемости покрытий. В настоящее время разработан ряд перспективных покрытий, по своим характеристикам превосходящих использованные в составе ВКС «Буран» и Space Shuttle. При разработке новых покрытий особое внимание было уделено повышению термохимической устойчивости, стойкости к механическим повреждениям, совместимости с новыми более легкими и температуроустойчивыми теплоизоляционными волокнистыми материалами. Задача снижения повреждаемости покрытий решена путем создания поропокрытий с использованием процессов инфильтрации высокопори- 146
ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ, УГЛЕ- И СТЕКЛОКЕРДМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ стой подложки тонкодисперсными гидросуспензиями на основе стекло- материалов с оптически активными добавками. Меньшая плотность нового теплоизоляционного материала обусловливает проникновение порошка шликера на большую глубину (примерно на 5—7 мм) по сравнению с существующей теплоизоляцией и обеспечивает тем самым создание упрочненного слоя теплозащитного композиционного материала, состоящего из стекломатрицы, армированной волокнами подложки. По предварительным данным, при этом достигнуто повышение стойкости к вдавливанию упрочненного поропокрытия в 1,5—2 раза, стойкости к удару — в 10 раз по сравнению с серийными покрытиями. Разработаны ремонтные покрытия холодного отверждения, предназначенные для оперативного восстановления поврежденных участков теплоизоляционных плиток. Предполагается использовать в составе ремонтных покрытий для теплоизоляционных материалов с пониженной плотностью высокотемпературные особочистые ультрадисперсные порошки оксидов и усовершенствовать технологию получения таких покрытий. В процессе усовершенствования покрытий ключевой является технология «золь-гель», применяемая как для получения новых компонентов покрытия, так и для формирования покрытий непосредственно на волокнистой подложке. Синтетические гель-фритты практически не содержат щелочных и щелочноземельных металлов, в силу чего их фазовая термостабильность примерно в 30—50 раз выше, чем у традиционных аналогичных материалов, при этом они более инертны по отношению к кварцевому волокну теплоизоляции и способствуют уменьшению усадок системы покрытие—субстрат в процессе формирования и эксплуатации покрытия. Снижение усадки обеспечивает термостабильность формы плиток в случае нештатных локальных перегревов, затрудняет проникновение высокотемпературного воздушного потока в межплиточные зазоры и повышает надежность плиточной теплозащиты в целом. Высокая химическая чистота гель-фритт обеспечивает повышение термохимической устойчивости покрытий до 1400 °С. С использованием «золь-гель» технологии были созданы безобжиговые покрытия для системы теплозащиты перспективных изделий аэрокосмической техники, которые обеспечивают защиту поверхности на участках с рабочей температурой до 150°С от высокоскоростных потоков диссоциированного воздуха при входе ЛА в плотные слои земной атмосферы. Покрытия обладают терморадиационной способностью ~0,8 при рабочей температуре, имеют низкую каталитическую активность в ю* 147
ГЛАВА 5 ««»> S» >J»'> *g» высокотемпературном потоке диссоциированного воздуха (Kw = 0,8—2 м/с при Tw= 1300—1700 К), сопоставимую с минимальными значениями ка- талитичности, известными в настоящее время для кварцевого стекла. Безобжиговая технология позволяет исключить высокотемпературную обработку материала подложки при формировании покрытия, обеспечивает возможность нанесения покрытия непосредственно на изделии и в труднодоступных местах, а также оперативного восстановления покрытия при повреждениях. Кроме того, при этом достигается существенная экономия энергоресурсов. «Золь-гель» метод позволяет получать синтетические стекломатериа- лы с модификаторами, способными направленно изменять каталитическую активность покрытия, что открывает возможность дополнительно уменьшить тепловой поток к наиболее теплонагруженным участкам поверхности ГЛА. Полученные авторами зависимости подтверждают возможность регулирования тепловых потоков к поверхности плиток, а кроме того, позволяют создавать стендовые и летные средства диагностики диссоциированных воздушных течений. Жаростойкие покрытия для турбонасосных агрегатов ЖРД типа ЭУ «Барьер» защищают изделие от возгорания в газообразном кислороде и в потоке генераторного газа при воздействии посторонних частиц и напряжений. Для изготовления силовых деталей двигателя ЭУ сложной конфигурации — ротор, статор и др. — применяются литейные жаропрочные сплавы на никелевой основе. При нарушении режима работы изделия возможно самовозгорание топлива и взаимодействие поверхности литых деталей с агрессивной средой, что приводит к разрушению конструкции. В связи с этим важное значение имеет защита элементов конструкций путем применения жаростойких покрытий. Разработаны жаростойкие стеклоэмалевые и стеклокристаллические покрытия, отличающиеся абсолютной сплошностью, высокой адгезией, термодинамической устойчивостью к агрессивной окислительной среде и коррозионной стойкостью. Стеклоэмалевые покрытия, представляющие собой гомогенную аморфную композицию с отдельными включениями тугоплавких фаз, повышают стойкость конструкционных материалов к воздействию агрессивной среды и позволяют увеличить температуру среды на 100—150 °С (по сравнению с условиями работ незащищенных материалов). Стеклокристаллические покрытия формируются на жаропрочных сплавах с образованием гетерогенных составов с тонкодисперсными кристаллическими частицами, связанными стекломатрицей, что обеспечивает высокую га- 148
ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ, УГЛЕ* й СТЕКЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИМЫ зонепроницаемость при температурах до 800 °С. Внедрение покрытий в качестве защиты от возгорания на сборочных единицах ЭУ обеспечило надежную работоспособность деталей в среде окислителя. Для серийных ЖРД увеличено число запусков до 5—И (вместо 1 — без покрытия). В ядерных реакторах энергоустановок космических объектов в качестве отражателей тепловых нейтронов применяется бериллий. Детали и узлы из бериллия работают в условиях окружающей воздушной среды, вакуума при высоких температурах и находятся в постоянном контакте с другими конструкционными материалами. Обладая малым атомным радиусом, бериллий свободно диффундирует в контактирующую поверхность, что приводит к образованию хрупких фаз, интерметаллических соединений и низкотемпературных эвтектик, которые по механическим, тепло- физическим и другим свойствам резко отличаются от основного материала. Глубина дефектного слоя на контактирующей поверхности доходит до 120—150 мкм. Для защиты бериллия от контактного взаимодействия с конструкционными материалами разработано эмалевое покрытие ЭВ-30 с высокими эксплуатационными свойствами. Покрытие обладает стойкостью при работе в вакууме [~ 1,33 • 10~2 Па (1 • 10~4 мм рт.ст.)] при температуре 700°С [испаряемость при 700°С составляет 2-Ю-4 мг/(см2*ч)], работоспособно в среде аргона при 800 °С. Покрытие термостойко, выдерживает более 60 термоциклов по режиму 800—20 °С и снижает (на ~98%) окисляемость бериллия за 100 ч. Кроме того, покрытие обладает высокой излучательной способностью: 0,74 при температуре 700 °С, что способствует эффективному отводу тепла, выделяемого независимым источником, с поверхности изделия в окружающую среду и снижению температуры поверхности на 40—60 °С. Применение покрытия полностью исключает образование на контактирующей поверхности конструкции измененного диффузионного слоя. Покрытие ЭВ-30 обеспечило защиту деталей из бериллия от контактного взаимодействия с конструкционными материалами при работе в условиях атомных реакторов в течение всего ресурса (1080 ч при вакууме -1,33-10~2 Па и температуре 700 °С). При разработке и эксплуатации бортовых электростанций (БЭС) основной проблемой является удержание водорода в замкнутом объеме, так как водород обладает наибольшей способностью к диффузии через стальную оболочку корпусных деталей энергоблока. Для удержания водорода в замкнутом объеме применяются стекло- эмалевые покрытия, представляющие собой сложную силикатную систему с шютноупакованной структурой. Температура формирования покрытий не превышает температуры интенсивного роста микрозерна в 149
ГЛАВА S *g»%;'^Sfr^frjjj^^ #§> стали и поэтому не приводит к снижению основных механических характеристик материала. Покрытия обладают высокой вакуумной стойкостью, сплошностью, термостойки при резкой смене температур. Водородопроницаемость покрытий при толщине слоя 120 мкм составляет 1,6*10~4 нсм3/(см2*ч), что обеспечивает работоспособность бортовых электростанций в течение всего ресурса (более 4000 ч). Созданные материалы, покрытия и технология их формирования не имеют аналогов в мировой практике и позволяют решать крупные производственные проблемы. Покрытия внедрены в производстве самолетов и вертолетов МиГ-25, Як-40, Як-42, Ан-70, Ил-76, Ил-62, Ту-154, Ту-160, Ил-86, Су-25, Ка-126, Ми-8, Ка-50, Су-27, Су-37, МиГ-29, МиГ-31, Ил-96, Ан-224, Ту-204, МКС «Буран», практически на всех газотурбинных двигателях для защиты камер сгорания (Д-18, Д-36, НК-86, ПС-90А и др.), на двигателях пилотируемых и грузовых космических кораблей, космических и межпланетных станций, межконтинентальных баллистических аппаратов, на бортовых электростанциях космических ЛА, в машиностроительных и металлургических отраслях народного хозяйства. По контрактам с зарубежными странами покрытия поставляются во Францию, КНР и др.
Глава 6 ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРОИЗВОДСТВА И ПЕРЕРАБОТКИ АВИАЦИОННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ УДК 669.02/.09 Е.И. Разуваев СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ Развитие авиакосмической техники и других отраслей машиностроения в значительной мере обеспечивается разработкой металлических сплавов с более высокими прочностью, жаропрочностью, коррозионной стойкостью, износостойкостью, а также со специальными физико-механическими свойствами (памятью формы, низким коэффициентом линейного расширения и т.п.). Объем производства и применения этих материалов непрерывно возрастает. Создание таких материалов достигается путем многокомпонентного легирования, формирования гетерофазных структур, термостабильных до температур, близких к температуре плавления. Это приводит к снижению технологичности и затрудняет изготовление из них деформированных заготовок и полуфабрикатов с применением традиционных методов обработки давлением. Вместе с тем известно, что термомеханические параметры обработки оказывают реша- 151
ГЛАВА В *р> 8» >jg»> Зр ющее влияние не только на возможность формоизменения, но и на формирование структуры. Наиболее высокой жаропрочностью и соответственно гетерофазнос- тью и низкой технологической пластичностью обладают никелевые сплавы с содержанием более 40% упрочняющей /-фазы, из которых изготовляют диски и другие детали ГТД. В результате исследований, выполненных в ВИАМ, разработаны процессы обработки высокожаропрочных труднодеформируемых сплавов на никелевой основе, обеспечивающие повышение технологической пластичности и достижение сверхпластичности путем комплексного воздействия пластической деформации и термической обработки. В отличие от традиционной технологии горячей деформации в однофазном состоянии (твердый раствор) новая технология предусматривает формирование структурного состояния, позволяющего проводить эффективное формоизменение в гетерофазном состоянии. Задача состоит в определении условий механико-термической обработки, обеспечивающих формирование требуемой структуры. Предварительная термическая обработка слитков и заготовок способствует устранению или снижению ликвационной неоднородности слож- нолегированных композиций и формированию структуры с регламентированным размером частиц упрочняющих фаз. Последующая регламентированная деформация по схеме, обеспечивающей максимальное приближение к всестороннему неравномерному сжатию при температур- но-скоростных параметрах, при которых протекает процесс рекристаллизации, позволяет сформировать мелкозернистую структуру, обладающую более высокой пластичностью, а в случае ультрамелкозернистой структуры — сверхпластичностью. Необходимость формоизменения таких сплавов деформацией в двухфазном состоянии обусловлена резким сужением или отсутствием температурного диапазона существования однофазного состояния. Снижение температуры в процессе деформации сопровождается распадом твердого раствора с выделением мелкодисперсных частиц упрочняющих фаз, что способствует охрупчиванию металла и резкому повышению сопротивления деформации. Особенностью гетерофазных сплавов является также их высокая чувствительность к скорости деформации, что, в свою очередь, требует применения для их обработки давлением технологического оборудования с оптимальной, желательно регулируемой, скоростью нагружения. От температурно-скоростных параметров деформации зависит развитие процесса разупрочнения. 152
ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРОИЗВОДСТВА В отличие от горячей деформации в однофазном состоянии, когда упрочнение практически отсутствует, при деформации в двухфазной области упрочнение проявляется более значительно, особенно с понижением температуры в процессе формоизменения. Поэтому очень важно обеспечивать условия деформации, при которых устанавливается равновесие процессов упрочнение—разупрочнение. Наиболее полно такие условия достигаются при изотермической деформации, при которой возможно поддержание температуры и скорости в определенном оптимальном для данной композиции узком диапазоне в процессе всего цикла формоизменения. Таким образом, процесс должен осуществляться при строгом соблюдении оптимальных температурно- скоростных параметров деформации. Такие параметры для деформации сплавов в гетерофазном состоянии устанавливаются с учетом критических температур конкретной плавки (температур полного растворения основных упрочняющих фаз, динамической рекристаллизации, полиморфного превращения и т.п.). Процесс изотермической деформации является наиболее перспективным для изготовления высококачественных полуфабрикатов с регламентированной структурой из труднодеформируемых сплавов в гетерофазном состоянии. Для практического осуществления таких технологий в ВИАМ определены оптимальные термомеханические параметры деформации сплавов и созданы специализированные оборудование и оснастка. Разработка специальных высокожаропрочных окалиностойких композиций штамповых материалов с рабочей температурой до 1150—1200 °С позволяет осуществлять процессы изотермической деформации титановых и жаропрочных никелевых сплавов в установках открытого типа, которые выгодно отличаются простотой конструкции и более высокой производительностью от дорогостоящих вакуумных установок, в которых используются штампы из тугоплавких сплавов. В ВИАМ разработаны также специальные технологические покрытия, обеспечивающие защиту деформируемых заготовок от окисления и газонасыщения при нагреве и являющиеся одновременно эффективной смазкой при деформации. Известно, что технологические и эксплуатационные свойства титановых сплавов также определяются характером структуры, формирование которой зависит от термомеханических параметров деформации. В связи с тем что структура и свойства полуфабрикатов, деформированных при температурах однофазной области (р-область), существенно отличаются от характеристик материала, деформированного в двухфазной 153
ГЛАВА в «с»> %> > j»> ig» области (ос+Р), очень важным критерием при выборе оптимального температурного диапазона обработки является температура полиморфного превращения не только конкретного сплава, но и конкретной плавки. Деформация титановых сплавов при температуре р-области обеспечивает высокую технологическую пластичность при меньших энергозатратах, однако не позволяет сформировать однородную мелкозернистую структуру с заданным комплексом свойств, которая требуется для большинства изделий. Кроме того, обработка титановых сплавов с нагревом при температурах р-области сопровождается значительным окислением и газонасыщением поверхностного слоя, который приходится удалять механической обработкой. Деформация титановых сплавов в двухфазном состоянии (ос+р) позволяет формировать регламентированные структуры, обеспечивающие достижение требуемого комплекса технологических и эксплуатационных характеристик. Для всех титановых сплавов, разработанных в ВИАМ, установлены оптимальные технологические схемы и термомеханические параметры деформации в р- и (ос + р)-областях, обеспечивающие формирование структуры с требуемым комплексом свойств с учетом условий эксплуатации изделий. Интересной особенностью титановых сплавов является проявление способности к сверхпластической деформации в двухфазном состоянии при определенных структурных и температурно-скоростных параметрах. Технологические процессы с использованием сверхпластической деформации находят все более широкое применение в промышленности при изготовлении экономичных полуфабрикатов сложной формы. При этом практически не лимитируется степень деформации и в 5—10 раз снижается усилие, необходимое для требуемого формоизменения заготовки. Полуфабрикаты, изготовленные изотермической и сверхпластической деформацией, отличаются более однородной структурой, повышенным и стабильным уровнем свойств. Специально разработанная композиция высокопрочного титанового сплава проявляет сверхпластичность при температуре на 75—100 °С ниже температуры сверхпластической деформации для промышленных сплавов. Это позволяет использовать менее жаропрочные и более дешевые штамповые материалы и существенно увеличить их стойкость. Формирование оптимальной структуры в деформированных полуфабрикатах способствует успешному осуществлению не только последующей деформации. Например, формирование в поковках и штамповках из 154
ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРОИЗВОДСТВА алюминийлитиевых сплавов определенного типа изотропной структуры позволяет повысить качество и надежность сварных конструкций. Значительный практический интерес представляют исследования по разработке новых технологических процессов изготовления точных заготовок лопаток компрессора ГТД из жаропрочных никелевых и титановых сплавов с использованием регламентированной холодной деформации. Наряду со снижением трудоемкости окончательной механической обработки и ручных операций по доводке пера обеспечивается повышение коэффициента использования дорогостоящих металлов и качества лопаток. Новая технология включает в себя более точный расчет технологических операций на стадии изготовления предварительной заготовки, регламентированную холодную деформацию на операциях вальцовки пера и переходной зоны от пера к замку лопатки. При этом достигается формирование однородной структуры во всех элементах лопатки и соответственно повышение эксплуатационных характеристик. Заслуживают внимания техпроцессы изготовления листовых, прутковых и трубных полуфабрикатов из разнородных материалов, а также крупногабаритных листов и сверхтонкой фольги пакетным методом. В связи с разработкой техпроцессов сверхпластической формовки листовых деталей определены оптимальные температурно-скоростные параметры сверхпластической деформации большого числа промышленных и опытных титановых, алюминиевых и магниевых сплавов. Разработка комбинированных листовых материалов (алюмопластов, металлопластов и т.п.) потребовала изыскания способов их формоизменения. Разработан и освоен в промышленности техпроцесс изготовления втулок подшипников скольжения из металлопласта методом вытяжки из листа. Определены предельные коэффициенты формоизменения алюмопластов различных композиций. Представленный выше обзор технологических процессов убедительно показывает необходимость и актуальность дальнейших поисков эффективных способов изготовления деформированных полуфабрикатов и заготовок из перспективных конструкционных материалов новых классов, например сплавов на интерметаллиднои основе, титановых и алюминиевых сплавов с дисперсным упрочнением и др. На данном этапе очень важно не допустить отставания в разработке эффективных технологических процессов изготовления деформированных полуфабрикатов из перспективных материалов и создать условия их промышленного производства. 155
ШВА В УДК 669.02/.09 В.В. Сидоров ПРОГРЕССИВНЫЕ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПОЛУЧЕНИЯ ШИХТОВЫХ ЗАГОТОВОК ИЗ ЛИТЕЙНЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ Литейные жаропрочные сплавы нашли самое широкое применение в авиационном двигателестроении в качестве материала лопаток ГТД, получаемых методом как равноосной, так и направленной кристаллизации. При этом наряду с выбором оптимального легирования сплавов требуется разработка оптимальных технологических процессов их получения, т.е. необходим комплексный подход, заключающийся в единстве решения материаловедческих и технологических задач. Качество литых лопаток и их служебные характеристики в значительной степени зависят от качества исходной шихтовой заготовки, поэтому разработка каждого нового поколения литейных жаропрочных сплавов проходила одновременно с разработкой металлургических процессов их получения. Среди элементов, которые могут входить в состав жаропрочных никелевых сплавов, присутствуют легирующие элементы, упрочняющие твердый раствор, обеспечивающие дисперсионное упрочнение сплавов и защиту их поверхности от окисления. Наряду с этим в сплавах присутствуют вредные элементы (примеси): Si, S, P, Pb, Bi, Tl, Se, Ag, 02, N2 и другие, которые случайно могут попадать в готовый металл, и микродобавки полезных элементов: РЗМ, В, Zr, Mg и другие, которые специально вводят в металл в контролируемых количествах. Наряду с основными химическими элементами, определяющими состав, примеси и микродобавки являются одним из существенных факторов, влияющих на структуру и свойства готового металла. Для обеспечения высоких и стабильных свойств сплавов, в процессе их металлургического производства необходимо обеспечить получение заданного химического состава в узких пределах, что достигается, как правило, проведением экспресс-анализа по ходу плавки с последующей корректировкой химического состава. Одновременно с этим необходимо обеспечить получение в металле минимально возможного уровня примесей и оптимального для данного сплава количества специальных микродобавок. Примеси могут попадать в сплавы как на стадии их плавки в вакуумных индукционных печах, так и при прецизионном литье лопаток по выплавляемым моделям. При выплавке сплавов основным источником 156
ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРОИЗВОДСТВА примесей являются применяемые шихтовые материалы, а также литейные отходы, образующиеся на моторостроительных заводах при отливке лопаток. Потенциально возможными источниками загрязнения последних являются материалы модельной массы, керамика плавильных тиглей, литейных форм и стержней, применяемых при отливке сплавов по выплавляемым моделям. Как было установлено термодинамическими расчетами и экспериментально, при контакте расплава с этими материалами в условиях вакуума примеси могут переходить в отливку и накапливаться в отходах, при этом в связи с развитием процессов направленной кристаллизации продолжительность взаимодействия расплава с керамикой формы и стержня увеличивается, что приводит к повышению уровня примесей в металле. В ВИАМ были проведены исследования по влиянию примесей, которые могут попадать в сплавы в процессе производства, на образование дефектов в структуре и свойства сплавов. Так, кремний попадает в сплавы в основном из литейной формы, изготовленной из дистен-сил- лиманита, в составе которого содержится свободный диоксид кремния. Оценка влияния легкоплавких примесей цветных металлов (Pb, Bi и др.), которые практически не растворимы в матрице, на формирование структуры и свойства сплавов, отливаемых методами направленной и равноосной кристаллизации, показала, что при направленной кристаллизации эти примеси частично оттесняются растущими зернами в жидкость, и поэтому концентрация примесей на границах зерен будет ниже, чем при равноосной кристаллизации. При изучении влияния примеси свинца на долговечность сплава ЖС26, отлитого различными способами кристаллизации, было показано, что попадание в сплав свинца понижает долговечность, однако сплав с равноосной структурой более чувствителен к примеси свинца, чем сплав с направленной структурой. Особенно отрицательное влияние оказывают примеси на формирование гетерофазной структуры волокнистого типа при направленной кристаллизации эвтектических сплавов системы y/Y-Me (типа ВКЛС). В этом случае, вследствие повышения концентрации примеси в металле, перед фронтом кристаллизации возникает концентрационное переохлаждение, при этом теряется устойчивость плоского фронта кристаллизации и образуется ячеистая структура. При дальнейшем увеличении концентрации примеси ячеистая структура трансформируется в дендритную. Такое разрушение структуры приводит к существенному снижению долговечности сплавов, поскольку основной вклад в их прочность вносят однонаправленные карбидные волокна. 157
ГЛАВА В —»^»^>з» Весьма важными являются вопросы ограничения попадания примесей в сплавы, а также рафинирования металла от примесей в процессе производства. Известно, что одним из важных назначений вакуумной индукционной плавки является возможность понизить в сплавах концентрации примесей цветных металлов, имеющих высокую упругость пара, таких как свинец, висмут, теллур и др. Однако термодинамическим анализом было установлено, что при плавке в вакууме снижение в расплаве таких примесей может происходить только до определенной концентрации, ниже которой испарение примеси при тех же термодинамических условиях невозможно. Поэтому дальнейшее снижение содержания примесей в сплавах может быть достигнуто применением при плавке в вакууме более чистых (по примесям цветных металлов) шихтовых материалов, в которых концентрация этих примесей может быть понижена на стадии их получения. Так, концентрация примесей в высокочистой карбонильной никелевой дроби ДНК в 1,4—2,1 раза ниже, чем в электролитическом катодном никеле высших марок НО и Н1У, - соответственно долговечность металла при испытании на длительную прочность при 900 °С, выплавленного при использовании такой дроби, в 1,5 раза выше. Для литейных жаропрочных сплавов нового класса — безуглеродистых сплавов для монокристаллического литья — необходимо обеспечить возможно низкую концентрацию в металле углерода; в отличие от традиционных сплавов углерод в этих сплавах является вредной примесью. На основании термодинамических расчетов и экспериментально был найден и научно обоснован наиболее эффективный метод обезуглероживающего рафинирования никелевого расплава. Первоначально в расплав вводится окислитель — закись никеля, при растворении которой в расплаве повышается концентрация кислорода и реакция обезуглероживания протекает наиболее полно. Затем в расплав вводятся специальные добавки РЗМ, которые связывают остаточный углерод в термодинамически прочные карбиды. Одновременно при этом происходит понижение в расплаве концентрации серы, азота и кислорода. Данная технология обеспечивает получение в металле: 0,001—0,005% С, 0,0006—0,001% S, 0,0004-0,0009% N2 и 0,0007-0,001% 02. В результате достигается дополнительное повышение долговечности ( при испытании на длительную прочность) безуглеродистых сплавов на 25—30%. Установлено, что при плавке жаропрочных сплавов в вакууме хотя и происходит очистка металла от вредных примесей, однако при этом одновременно удаляются полезные микродобавки, в частности РЗМ, и спла- 158
ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРОИЗВОДСТВА вы не достигают необходимого уровня свойств. Результаты расчета коэффициента массопереноса РЗМ с учетом материала тигля и величины давления показали, что удаление РЗМ из расплава происходит путем как испарения, так и взаимодействия с керамикой тигля, причем в зависимости от материала керамики преобладает первый или второй процесс. На основе проведенных систематических исследований и полученных экспериментальных данных, для повышения свойств сплавов (долговечности, пластичности, жаростойкости и др.) и сохранения их структурной стабильности в процессе работы, в ВИАМ разработана оригинальная система направленного микролегирования литейных жаропрочных сплавов различных классов. Эта система предусматривает выбор наиболее эффективных микродобавок и их оптимальных количеств, а также способа их введения в металл. Разностороннее положительное влияние микродобавок позволяет дополнительно повысить свойства известных серийных литейных жаропрочных сплавов, а также помогает создавать новые сплавы для получения отливок с направленной и монокристаллической структурой с уникальным сочетанием различных свойств. При разработке технологического процесса производства литейных жаропрочных сплавов весьма важным является вопрос рационального использования отходов, образующихся на моторостроительных заводах при отливке лопаток, с учетом их повышенной загрязненности примесями; кроме того, химический состав таких отходов, в том числе по микродобавкам, может отличаться от оптимального. Особенностью разработанной в ВИАМ технологии использования образующихся на моторостроительных заводах отходов является то, что все кондиционные отходы должны отгружаться на металлургический комбинат, где они рафинируются при выплавке сплавов в вакуумных индукционных печах по специально разработанному для этого технологическому режиму. При этом путем обеспечения в готовом металле возможно низкой концентрации примесей и оптимальной концентрации микродобавок, а также доводки сплавов по химическому составу гарантируется получение необходимого уровня свойств. Применение данного технологического процесса обеспечивает замкнутый металлургический баланс использования отходов, которые составляют при получении отливок с равноосной структурой до 80% и при получении отливок с направленной или монокристаллической структурой — до 50%. С использованием основных положений и выводов из работ, проведенных в ВИАМ, был разработан технологический процесс получения шихтовых заготовок из литейных жаропрочных сплавов, который гаран- 159
глава е ^>JSfr>jfr> *5» тирует получение качественных отливок у потребителя. Данная технология обеспечивает: — повышенную чистоту сплавов по газам (кислороду и азоту), примесям (свинцу, висмуту, сере, кремнию и др.) и неметаллическим включениям; — стабильный химический состав сплавов в узких пределах, что гарантирует отсутствие ТПУ фаз в металле (а, ц и др.) при эксплуатации деталей; — высокие и стабильные жаропрочные и механические свойства сплавов, которые сохраняются после длительной работы деталей; — полное использование при плавке всех образующихся отходов без снижения качества сплавов, что позволяет понизить стоимость сплавов и сэкономить дорогостоящие металлы. УДК 669.02/.09 Н.В. Горбанъ, Е.И. Разуваев, В.А. Шарыпин, О.Г. Сенаторова, Л.Б. Хохлатова, Е.Ф. Волкова ПНЕВМОФОРМОВКА ЛИСТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ В СОСТОЯНИИ СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ Широкое использование в конструкциях летательных аппаратов листовых высокопрочных сплавов, имеющих недостаточную технологическую пластичность, ставит перед специалистами задачу изыскания эффективных способов изготовления из них деталей различной степени сложности. Традиционные методы листовой штамповки деталей из таких материалов приводят к большому количеству технологических переходов с многочисленными промежуточными отжигами, что вызывает необходимость применения соответствующего количества штамповои оснастки и дополнительной загрузки оборудования. Формование таких материалов требует оптимизации режимов и условий деформации, обеспечивающих интенсификацию процесса. Одним из таких направлений является деформирование листовых материалов в изотермических условиях и в состоянии сверхпластичности. В конце 1970-х годов со стороны специалистов по обработке металлов давлением стал Лроявляться повышенный интерес к проблеме сверхпластической деформации (СПД). Появилась также возможность практического осуществления СПД в реальных технологических процессах. 160
ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРОИЗВОДСТВА В течение ряда лет в ВИАМ проводятся работы по исследованию штампуемости листовых материалов в изотермических условиях и в состоянии сверхпластичности. В результате исследований создана методика определения способности листовых материалов к сверхпластической деформации, спроектирована и изготовлена установка для проведения испытаний в изотермических условиях, установлены оптимальные температурно-скоростные параметры пневмотермической формовки целой группы сталей, титановых, алюминиевых и магниевых листовых сплавов, выданы рекомендации для промышленного внедрения. Процесс формоизменения листовых материалов в состоянии сверхпластичности (СПФ) требует более строгого соблюдения определенных температурно-скоростных условий деформации, так как наибольший эффект СПД достигается в узком температурном интервале, при скоростях деформации порядка 10"2—10"4 с"1 и размерах зерна менее 10 мкм. Оптимальные температурно-скоростные условия деформации устанавливаются по результатам испытаний при одноосном либо двухосном растяжении [1, 2]. Критерием служит достижение максимального значения параметра скоростного упрочнения т = ——, где е — скорость деформа- dlge ции; а — напряжение. В общем случае критерием является достижение заданной степени деформации при т > 0,3. При этом учитываются производственные возможности технологического оборудования, режим нагрева, стойкость инструмента, производительность и т.д. Оптимальные температурные и скоростные параметры СПФ листовых материалов с достаточным приближением могут быть установлены по результатам механических испытаний стандартных образцов при растяжении с малой скоростью в изотермических условиях. Оценка способности листовых материалов к СПФ проводится по результатам пневмотермической формовки листовых образцов в цилиндрической матрице или по результатам релаксации напряжения листового образца под воздействием заданной нагрузки [3, 4]. Предварительное формирование сверхпластичной структуры в исходных заготовках осуществляется путем изготовления листов по специальным технологиям. Газовая или пневмотермическая формовка (ПТФ) представляет собой процесс формоизменения листовых заготовок избыточным давлением газа при температурно-скоростных условиях, обеспечивающих проявление эффекта сверхпластичности. ПТФ осуществляют на установке, конструкция которой обеспечивает жесткий прижим заготовки по периметру и герметизацию полости под 11 -5961 161
матрицей, нагрев и контроль температуры в рабочей зоне штампа, подачу и регулирование давления формующего газа по ходу процесса. Формовка производится в кольцевой матрице без ограничения высоты. При этом в качестве критерия предельной деформации при ПТФ используются максимальная степень деформации в полюсе купола (е) и относительная высота купола (Я): й = Еш^. e = ^o_^.i00%, где Нтах — максимальная высота, при которой происходит разрушение заготовки, мм; RQ — радиус цилиндрической полости матрицы, мм; S0 и S — исходная и конечная толщины заготовки, мм. При формовке на заданную высоту в цилиндрической матрице с плоским дном определяют технологические радиусы сопряжения дна со стенкой (Яп^), т. е. способность материала к заполнению формы, и распределение толщины по образующей отформованной детали. Этот способ позволяет моделировать промышленный процесс и корректировать расчетные режимы нагружения. Важным фактором, существенно ограничивающим возможности пневмоформовки листовых деталей, является порообразование (кавитация) при высоких степенях деформации. Устранить или ограничить порообразование возможно применением противодавления. Наряду с исследованием серийных сталей и сплавов исследовались специально разработанные сплавы, которые в обычных условиях являются труднодеформируемыми, однако после формирования стабильной мелкозернистой структуры и при определенных температурно-скорост- ных условиях проявляют более высокую способность к сверхпластической формовке, в том числе при пониженных температурах. К таким материалам относится коррозионностойкая сталь ВНС-48 (табл. 1). Таблица 1 Параметры сверхпластичной пневмоформовки коррозионностойких сталей с Гш, ат(Д/П>*, 6<Д/П)*, т ё-103, Давление газа (шах), Я, е, °С МПа % с*1 МПа мм % ВНС-48 950+15 12/27 860/430 0,38 1,6 10 1,2 63 ЗИ654 950+15 23/35 563/376 0,36 1,8 13 1,3 65 * Д, П - в продольном и поперечном направлениях соответственно (по отношению к направлению прокатки). 162
ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРОИЗВОДСТВА Особенностью листов из исследованных коррозионностойких сталей является высокотемпературная анизотропия, которая приводит к снижению параметров пневмоформовки. Кроме того, при температурах СПД сталей имеет место окисление поверхности изделий. Микроструктура и свойства отформованных в условиях СПД деталей остаются на уровне свойств исходного материала. Титановые сплавы, из-за стабильной мелкозернистой структуры (d3 до 10 мкм) при температуре ниже полиморфного |3<->(ос+Р) превращения, обладают так называемой природной сверхпластичностью. Параметр т в интервале температур СПД для большинства исследованных титановых сплавов в состоянии поставки обеспечивает достаточный для промышленного использования эффект (табл. 2). Таблица 2 Параметры СПД титановых сплавов Сплав ОТ4 ВТ6 ВТ6С ВТ14 ВТ20 ВТ23 Т„„. *п.п* °с 920-910 960-1000 950-990 920-960 980-1020 890-930 Т СП» °С 800+15 850+15 840+15 820+15 860+15 820+15 0 $ МПа 1.5 1,0 3,0 1,2 1,3 3,7 8, v> % 680 1250 650 950 600 340 m 0,58 0,62 0,5 0,6 0,35 0,32 ё-103, с"1 2 1,5 1,8 1,2 6 3,8 Давление газа (шах), МПа 3 4 10 4.. 10,5 10 Я, ** 9 ММ 1,5 1,8 1,7 1,65 1,42 1,34 е. ~, % 74 80 80 77 70 76 При формовке деталей простой конфигурации температурно-скоро- стные условия могут подвергаться заметной корректировке в сторону снижения температур и повышения скоростей деформации по отношению к результатам испытания при одноосном растяжении. В связи с тем что ПТФ титановых и жаропрочных сплавов осуществляется с относительно малой скоростью и при повышенных температурах, вызывающих окисление и газонасыщение поверхностного слоя заготовок, целесообразно применять вакуумные установки, защитные среды и покрытия. Листы из промышленных алюминиевых сплавов имеют довольно крупное зерно и в состоянии поставки не проявляют способности к сверхпластической деформации (удлинение не превышает 150% и коэффициент скоростной чувствительности менее 0,3) либо проявляют некоторые признаки сверхпластичности, но имеют недостаточную проч- п* 163
ГЛАВА 8 *g»> is» ^>^ > #s> ность (АМгб, СУПРАЛ). Вместе с тем листовые алюминиевые сплавы представляют большой интерес для формования в режимах СПД (табл. 3). Имеется большая номенклатура деталей из алюминиевых сплавов, для которых весьма рационально применение процесса СПФ (крупногабаритные детали сложной формы: обтекатели, детали силового набора — нервюры, шпангоуты; ячеистые и гофрированные панели, в том числе многослойные). Температуры СПД алюминиевых сплавов не превышают 600 °С, не требуется применение защитной атмосферы. Таблица 3 Параметры сверхпластичной пневмоформовки листовых алюминиевых сплавов Сплав АМгб 1420 1420 1420РС 1423 1570 1987 ^ мкм 15-20 50-75 30 8-9 10 10 10 Т °С 425+ш 460+10 460+10 460+t0 490+Ю 470+w 490+>0 °Т' МПа 35 10 12 3,8 5,5 6,5 7 8, % 255 53 85 179 185 200 170 m 0,32 - - - 0,45 0,43 0,37 ё-103, с"1 2,5 1,3 1,3 2,8 1,0 1,0 0,7 Давление газа (max), МПа 5 3 4 5 4 4 5 я, мм 1,0 0,8 0,83 0,9 1,2 1,8 1,2 е, % 68 33 50 40 63 75 65 Особый интерес для СПФ представляют сплавы системы Al-Mg-Li. Разработанная специалистами ВИАМ и МИСиС технологическая схема изготовления сверхпластичных листов из сплава 1420 позволяет формировать рекристаллизованную структуру с размером зерен 5—10 мкм. Эта схема включает в себя холодную деформацию на 30—35%, закалку с кратковременным нагревом в селитровой ванне и промежуточный отжиг для разупрочнения. Установлена зависимость параметров ПТФ от размера зерна исходных листов сплава 1420. Магниевые сплавы обладают сравнительно невысокой технологической пластичностью в холодном состоянии. Поэтому формование деталей из магниевых сплавов в состоянии сверхпластичности значительно расширяет технологические возможности и область применения их в конструкциях. В работах [3, 5] показана возможность деформирования магниевых сплавов в состоянии сверхпластичности. Некоторые исследователи отмечают [5, 6], что даже в крупнозернистых (d3>\5 мкм) спла- 164
ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРОИЗВОДСТВА вах МА8, МА15, МА21 наблюдаются признаки сверхпластического течения. Это подтверждается результатами исследования структуры и свойств цилиндрических заготовок, полученных пневмотермической формовкой (ПТФ) из листовых магниевых сплавов МА2-1 и МА8 (табл. 4). Таблица 4 Параметры сверхпластичной пневмоформовки листовых магниевых сплавов сп т газа (шах), °С МПа % <Г* МПа мм % 425+10 20 120 0,33 2,2 6 1,2 21 400+10 1,5-2 150 0,4 1,0 6-8 1,3 33 На базе серийного сплава МА20 в ВИАМ разработан сплав МА20СП, специально предназначенный для ПТФ тонкостенных деталей с развитой поверхностью. В исходном состоянии листы из сплава МА20СП характеризуются мелкозернистой структурой (d3= 5—10 мкм) и достаточно высоким критерием скоростной чувствительности (т > 0,38). Основные достоинства магниевых сплавов (малая плотность, высокие удельная прочность и жесткость, хорошая демпфирующая способность), присущие и сплаву МА20СП, в сочетании с возможностями изготовления деталей по эффективной технологии ПТФ в режиме сверхпластичности делают его весьма перспективным для более широкого внедрения в промышленность. Накопленный в последние годы большой объем экспериментальных данных по формированию сверхпластичных структур в листах различных металлов и сплавов позволяет рассматривать технологические процессы СПФ деталей из этих материалов весьма перспективными в авиакосмической и других отраслях промышленности. Задача состоит в их скорейшей и эффективной практической реализации. В результате многолетних исследований, выполненных в ВИАМ, создана и отработана методика определения температурно-скоростных параметров сверхпластичного формования листовых деталей из промышленных и опытных материалов. С использованием результатов выполненных исследований разработаны технологические процессы формирования сверхпластичной структуры в листовых полуфабрикатах и изготовления из них деталей методами сверхпластичной пневмоформовки в изотермических условиях. Сплав 3 мкм МА2-1 12-15 МА8 15-20 165
Библиографический список 1. Новиков И. К, Портной В. К. Сверхпластичность сплавов с ультрамелким зерном. - М: Металлургия, 1981. — 168 с. 2. Сверхпластическая формовка конструкционных сплавов//Под ред. Н.Е. Пейтона, К.Х. Ге- мильтона: Пер. с англ. — М.: Металлургия, 1985. — 80 с. 3. Кайбышев О. А. Сверхпластичность промышленных сплавов. — М.: Металлургия, 1984. - 263 с. 4. Ференко А.А., Еникеев Ф.У., Мурзинова М.А. К вопросу о единстве природы сверхпластической деформации//Доклады РАН. - М.: Наука, 1995, т. 340, с. 614-616. 5. СалиховР.Р. Сверхпластичность магниевых сплавов//Автореф. дис... канд. техн. наук. - М.: 1980, 25 с. (МАТИ). 6. Волкова Е.Ф., Лебедев В.М., Гуревич Ф.Л. и др. Основное направление развития деформируемых магниевых сплавов//Металловедение, литье и обработка сплавов, 1995, с. 106-112 (ВИЛС). УДК 669.02/.09 В.И. Лукинь Л.И. Сорокин^ В.Е. Лазько ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ СВОЙСТВ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ АВИАЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ Важнейшая задача снижения массы летательных аппаратов определяет необходимость получения сварных соединений, равноценных по свойствам основному металлу. Обычная практика использования для этих целей сварочных проволок, идентичных по химическому составу свариваемому металлу, ограничивает возможности снижения трещинообразования при сварке и приводит к необходимости одновременной корректировки не только присадочного металла, но и основного. Кроме того, в процессе сварки доли участия основного и присадочного металлов в образовании металла шва могут изменяться в широких пределах. Поэтому применение в качестве присадочного материала проволоки, существенно отличающейся по химическому составу от основного материала, позволяет менять в широких пределах склонность к горячеломкости, вектор кристаллизации и месторасположение горячих трещин (ГТ) в металле шва при различных условиях сварки. Таким образом, основным путем металлургического управления сопротивляемостью ГТ, помимо выработки требований к основному материалу, является разработка и применение присадочных материалов иного химического состава, чем свариваемый сплав, с целью получения в шве сплава, не склонного к образованию трещин при сварке, а также для 166
ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРОИЗВОДСТВА Li, % Си, % Рис, 1. Диаграмма склонности к образованию горячих трещин при сварке сплавов системы А1—Си—Li в зависимости от состава предотвращения образования ГТ по зоне сплавления [1—4]. Основные трудности при сварке алюминиевых сплавов заключаются в подавлении трещино- образования и предотвращении пористости. Особо высокой склонностью к образованию горячих трещин при сварке (табл. 1) обладают алюминийли- тиевые сплавы (А^ < 3 мм/мин). Причина неудовлетворительной свариваемости разработанных сплавов заключается в том, что основное направление легирования — создание высоких прочностных характеристик — не совпадает с легированием, необходимым для обеспечения хорошей свариваемости. Поэтому разработку свариваемых алюминийлитиевых сплавов (АЛС) следует вести, изучая единую систему материал—присадочная проволока [3], с оптимизацией не только прочностных характеристик, но и, в первую очередь, показателей свариваемости на основе анализа диаграмм химический состав — свариваемость (рис. 1). Например, анализ представленной диаграммы показывает, что существуют следующие перспективные системы А1—Си—Li свариваемых сплавов: (4,5-5)% Си + (0,8-1,5)% Li и (2,5-3,5)% Си + (1,9-2,5)% Li, a также несвариваемых: 3% Си + (0,5—2,0)% Li. Причем для получения сплава с максимальной весовой отдачей заслуживает внимание система с высоким содержанием лития и низким содержанием меди, что и послужило основой для разработки сплава 1460, а при разработке присадочной проволоки — система с высоким содержанием меди, но без Li (в данном случае учитываются технологические и экологические особенности разрабатываемой присадки). Однако даже в этом случае показатели свариваемости АЛС находятся на низком уровне {А^^ « 1—3 мм/мин). Поэтому только оптимизация состава присадочной проволоки позволяет довести этот показатель до уровня 5—6 мм/мин, т.е. перевести несвариваемые или плохо свариваемые сплавы в область свариваемых сплавов. 167
ГЛАВА 6 ^ШШЖШШШрШ *8fr: ss g ::f§':||l t:;: |Ш|:Ш1Ш11 II 111111 шш. ш §Ш1ш1 11111 If: ШЯ1 ■■lii шеи* 1! ||р|Я1*1Ш; ЯШ 1||р;^#р1||р1:ЩШ:1 ш шш ш ЯШ ШШ: &Ш : шш шттт шШшШёш ъЩ1 Iiiii шШйт&Ш. Ш ....,,...,,,.....,,,.,,■№■■ ШШ;1*: Ш шШМ$"- ^ЩАт.:; г:Шшт^ 11 pmmt 1#Я1 шш ж ill тм. ill ШШ- Ш- ш шшшз iili :::-а;:::»-:':'::;::; G.3 .8-
ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРОИЗВОДСТВА Таким образом, разработка присадочной проволоки является самостоятельной задачей, не менее важной и трудоемкой, чем разработка основного материала, который предполагается использовать в сварных конструкциях. При сварке титана и его сплавов проблемы горячих трещин не возникает. Однако высокая химическая активность титановых сплавов, зависимость прочности и особенно пластичности от содержания элементов внедрения, термическая нестабильность отдельных сплавов, особенно в зонах термодеформационного воздействия цикла сварки, склонность сплавов к замедленному разрушению ставят не менее сложные проблемы, требующие решения [5—7]. При оценке свариваемости титановых сплавов целесообразен дифференцированный подход к а-, (а + р)- и р-спла- вам. Существенное улучшение механических свойств и надежности сварных соединений а-, (а + Р)- и р-сплавов может быть достигнуто за счет минимального содержания в основном и присадочном металле элементов внедрения (N, О, Н), устранения попадания в свариваемый стык вредных примесей из окружающей среды, легирования металла шва элементами, повышающими растворимость газов в кристаллической решетке а- и р-фаз. В этой связи важное значение приобретает качество подготовки поверхности основного и присадочного материалов. Повышение содержания водорода влияет на фазовый состав, увеличивая количество р-фазы и пористость. Кислород повышает количество ос-фазы и снижает пластичность и трещиностойкость. Разработка присадочной проволоки предусматривает использование комплекса макролегирующих компонентов, обеспечивающих сбалансированное уменьшение дендритной ликвации (при расплавлении в металле шва основного металла и присадочной проволоки) и микролегирующих компонентов, изменяющих морфологию основных элементов структуры металла шва. Такое прицельное легирование формирует структурно-фазовое состояние металла шва, обеспечивающее оптимальное сочетание эксплуатационных характеристик сварного соединения. Сварное соединение можно рассматривать как конструктивный элемент, состоящий из основного металла, переходной зоны и металла шва, причем роль металла шва и зоны термического влияния в большинстве случаев является определяющей — от их качества зависит уровень свойств сварных соединений и их эксплуатационная надежность. Сопоставление присадочных проволок из сплавов ВТ20-2св. и СПТ2 (с прочностью 700-800 МПа), ВТ203 (850-950 МПа), ВТ23 (950-1050 МПа), ВТ19-1св. и ВТ19-2св. (900-1000 МПа) при сварке а-сплава ВТ20, (<х+р)- 169
ГЛАВА 8 сплава ВТ23 и псевдо-р-сплавов ВТ22 и ВТ19 показало возможность получения соединений, близких по свойствам основному металлу, при достижении оптимального фазового состава металла шва. При сварке сплава ВТ20 проволокой ВТ203 обеспечивается практическая равнопрочность соединения и основного металла (авсв>950 МПа при КСУ >0,4 МДж/м2), а длительная прочность сварного соединения за 100 ч при 400 °С лишь на 8% ниже (о100 = 650—700 МПа). При этом малоцикловая усталость при напряжении цикла 570 МПа была высокой: 60000—70000 циклов до разрушения. По этим показателям проволока ВТ203 превосходит на 10-20% проволоки ВТ20-2св. и СПТ2. По составу проволока ВТ203 (система Ti—Al—Mo—V—Zr—Sn—Nb) содержит большое количество р-стаби- лизаторов (эквивалентное 2% Мо) при одинаковом количестве ос-стаби- лизирующего элемента — алюминия. При сварке (а + р)-сплава ВТ23, содержащего р-стабилизирующие элементы в количестве, эквивалентном 8% Мо, присадочными проволоками ВТ20-2св. и ВТ203 металл шва содержит р-стабилизаторы в количестве, эквивалентном 6% Мо. Алюминия в металле шва содержится на 0,3—0,5% меньше, чем в основном металле. Пониженное содержание в металле шва алюминия и р-стабилизаторов обеспечивает температуру полиморфного превращения, близкую к Ти п основного металла. Сварные соединения из сплава ВТ23, выполненные с присадочной проволокой ВТ20-2св., в отожженном при 750 °С, 30 мин (охлаждение на воздухе) состоянии имеют пониженную прочность (870—900 МПа) при высоких значениях ударной вязкости (KCV = 0,65—0,75 МДж/м2) и трещиностойкости (КСТ = 0,55-0,75 МДж/м2) металла шва (рис. 2, а). Применение присадочной проволоки ВТ203 обеспечило практически равнопрочность основного металла и сварного соединения в отожженном состоянии (сувсв= 1100—1120 МПа) при высоких характеристиках ударной вязкости и трещиностойкости металла шва (KCV = 0,3—0,35 МДж/м2, КСТ = 0,26—0,35 МДж/м2). Следует отметить высокие значения ударной вязкости (КСУ = 0,5—0,55 МДж/м2) и трещиностойкости (КСТ = = 0,34—0,36 МДж/м2) зоны термического влияния (ЗТВ) при сварке сплава ВТ23, которая в сочетании с металлом шва определяет эксплуатационную надежность соединения (см. рис. 2, а). Исследовали влияние упрочняющей термообработки: закалка с 780 °С (выдержка 20 мин) в воде и старение при 550°С, 10 ч, на механические свойства сварных соединений из сплава ВТ23 (рис. 2, б). Прочность сварных соединений в термообработанном состоянии (по сравнению с отожженным состоянием) повысилась на 100 МПа, при этом сохрани- 170
ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРОИЗВОДСТВА лись высокие значения ударной вязкости и трещиностойкости. Применение присадочной проволоки ВТ203 обеспечило получение прочности на 200 МПа выше (ав = 1180 МПа, КСТ = 0,31 МДж/м2 для металла шва), чем при использовании присадочной проволоки ВТ20-2св. При максимальном напряжении цикла 570 МПа сварные соединения, выполненные с присадочной проволокой ВТ203, выдержали 50000—60000 цик- КСУ авхв, МПа 1200 KCV; КСТ, МДж/м2 0,8 0,6 0,4 h0,2 0 МПа 1200 KCV КСУ\ КСТ, МДж/м2 0,6 0,4 0,2 С присадкой ВТ20-2СВ С присадкой ВГ203 Рис. 2. Механические свойства сварных соединений (ЗТВ — зона термического влияния) из сплава ВТ23 (толщина 20 мм) после термической обработки: а — отжиг при 750°С, 30 мин (охлаждение на воздухе); б — закалка с 780°С, 30 мин в воде, старение при 530°С, 10 ч 171
ГЛАВА В «ю»3» 3S> ^"JSfr1 Jfr *>№ лов до разрушения. Сварные соединения из сплава ВТ23, выполненные с более прочной комплексно-легированной присадочной проволокой ВТ23св., в термически упрочненном состоянии при максимальном напряжении цикла 750 МПа выдержали 65000—80000 циклов до разрушения. Совокупность высоких характеристик трещиностойкости металла шва и переходной зоны и высоких значений сопротивления малоцикловой усталости свидетельствует о высокой эксплуатационной надежности сварных соединений из сплава ВТ23. При сварке р-сплава ВТ22 (количество р-стабилизирующих элементов в котором эквивалентно 12% Мо) с присадочной проволокой из сплавов СПТ2 и ВТ203 содержание р-стабилизирующих элементов в металле шва в среднем эквивалентно 8,5% Мо. Металл шва переходит в другую фазовую область: из р-сплавов в (а + Р)-сплавы мартенситного типа, т.е. приближается к составу основного сплава ВТ23 — в результате повышается температура полиморфного превращения, изменяются условия формирования металла шва, увеличиваются размеры элементов структуры и растет ударная вязкость (рис. 3). Применение присадочной проволоки СПТ2 приводит к уменьшению концентрации молибдена с 5 до 3,5% и обеспечивает более благоприятное соотношение легирующих элементов в металле шва. При прочности сварного соединения сплава ВТ22 авсв = 980—1050 МПа металл шва после нагрева при 850 °С, 1 ч (охлаждение в печи до 750°С, 2 ч выдержки) и старения при 630°С, 24 ч МПа КС\\ КСТ, МДж/м2 0,5 С присадкой СПТ2 С присадкой ВТ203 Рис. 3. Механические свойства сварных соединений из сплава ВТ22 (толщина 20 мм) после термообработки: нагрев при 850 °С, 1ч, охлаждение в печи до 750 °С, выдержка 2 ч, охлаждение на воздухе, старение при 630 °С, 24 ч 172
ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРОИЗВОДСТВА имеет высокие значения KCV и КСТ. Применение присадочной проволоки ВТ203 позволило повысить прочность до 1080—1120 МПа и снизить KCV и КСТ металла шва. Структурно-фазовые изменения, происходящие в металле шва при введении присадочной проволоки, не коснулись зоны термического влияния, которая сохранила характерную для сплава ВТ22 морфологию. Структура ЗТВ сварного соединения из сплава ВТ22 (по сравнению со сплавами ВТ20 и ВТ23) отличается большей дисперсностью пластин. Это связано с низкой температурой превращения, при которой термодинамически устойчивой является пластина малых размеров. Такие пластины не препятствуют развитию трещин, поэтому трещиностойкость КСТ составляет 0,1—0,15 МДж/м2 (см. рис. 2, б и 3). Изменение химического и фазового составов металла шва сварных соединений из сплава ВТ22 (по сравнению с основным металлом) приводит к снижению прочности металла шва и невозможности упрочнять сплав при регламентированных для основного металла умеренных скоростях охлаждения с температуры закалки и при последующем старении. Единственная возможность реализовать прочность основного металла — обеспечить конструктивные утолщения в зоне шва. Для Р-сплава ВТ19 системы Ti—Al—Mo—V—Сг—Zr, содержащего р- стабилизирующие элементы в количестве, эквивалентном 16% Мо, предложены присадочные материалы ВТ19-1 и ВТ19-2 той же системы легирования. Сплав ВТ19-1 содержит р-стабилизаторы, количество которых эквивалентно 18—20% Мо. Он рекомендуется для сварки отожженного ВТ19. Использование такого присадочного материала обеспечивает большую стабильность р-фазы металла шва и более высокую ударную вязкость (КС\ = 0,5—0,6 МДж/м2), чем у основного материала при ав св = 950— 1000 МПа. Сплав ВТ19-2 содержит р-стабилизаторы, количество которых эквивалентно 13—14% Мо. Он рекомендуется для сварки сплава ВТ19, применяемого в термически упрочненном состоянии. В этом случае металл шва менее эффективно упрочняется и сохраняет достаточную технологическую пластичность и ударную вязкость (KCW = 0,3—0,35 МДж/м2 при овсв= 1150-1250 МПа). При сварке среднеуглеродистых легированных сталей высокой прочности возникают аналогичные проблемы, связанные с высокой чувствительностью соединений к образованию горячих и холодных трещин, а также склонностью к преждевременным разрушениям при наличии тре- 173
щиноподобных дефектов [8—13]. Именно высокая склонность присадочных материалов сплава ЗОХГСА к образованию горячих трещин практически убедила металлургов в необходимости создания специальных, хорошо свариваемых сталей. Поэтому для сварки сталей ЗОХГСА и ЗОХГСНА применяют проволоки не основного состава типа 18ХГСА, а Св-18ХМА и Св-18Х4ГМА с прочностью ов = 980-1176 МПа. Путем рационального комплексного легирования удалось добиться хорошей сопротивляемости образованию горячих трещин при сварке, что позволило увеличить содержание углерода в проволоке и обеспечить высокий уровень прочности соединения. Поэтому использование проволоки марок 15Х2НМЦРА (ЭК44)...30Х2НМЦРА (ЭК47) и Св-20Х2Г2СНВМА (ЭП331У) с ав > 1500 МПа существенно повышает экономичность сварных конструкций. Сварные швы, выполненные указанными проволоками, отличаются мелкозернистым, дезориентированным строением с низкой ликвационной неоднородностью, что определяет приемлемый уровень характеристик пластичности и вязкости. При сварке стали 35ХС2НЗМ1ФА оптимальные результаты достигнуты при использовании проволоки Св-25Х2НМЦРА(ЭК46), позволяющей получить прочность овсв= 1650 МПа при удовлетворительных характеристиках пластичности и вязкости металла шва (табл. 2). На показатели свариваемости и свойства сварных соединений оказывает влияние метод выплавки основного и присадочного металлов. При выплавке стали ЗОХГСНА в вакуумных печах снижается содержание газов и неметаллических включений в основном металле, а также количество дефектов при сварке (на 20—40%), повышается стойкость к образованию горячих и холодных трещин (на 15—30%) и уровень меха- Таблица 2 Механические свойства сварных (АрДЭС) соединений стали 35ХС2НЗМ1ФА (толщина 15 мм) Присадочный материал (проволока) Св-15Х2НМЦРА Св-20Х2НМЦРА Св-25Х2НМЦРА Св-30Х2НМЦРА СВ-20Х2Г2СНВМА Основной металл °В' МПа 1512120 1673155 1698150 1713±58 1560140 1950150 ¥. % 36112 37112 31113 2417 37110 47110 KOf КСТ МДж/м2 0,4810,03 0,4410,04 0,4110,05 0,3910,06 0,4210,05 0,7010,05 0,3910,03 0,3610,03 0,2810,04 0,2710,04 0,2510,03 0,1810,04 174
ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРОИЗВОДСТВА нических свойств (на 10—20%). Большое влияние на свариваемость металла оказывает метод раскисления при выплавке. Если основной металл может содержать до 0,10% редкоземельных элементов, то в присадочном металле должно быть ограничено содержание церия (<0,05), а также иттрия (<0,02%) — во избежание ухудшения стойкости сварного шва к образованию горячих трещин. Важность специфического легирования присадочного металла видна на примере проволоки Св-06Х13Н6М4К8Б-ВИ (ЭК43-ВИ), предназначенной для сварки термоупрочненных элементов из высокопрочной стали. Легкоплавкость проволоки (влияние кобальта) и увеличение аусте- нитной составляющей (действие углерода) уменьшают мартенситную прослойку и препятствуют охрупчиванию по зоне сплавления. Изменение количества остаточного аустенита в пределах 20—60% позволяет достичь высокой прочности соединения и предупредить образование холодных трещин при сварке. По сравнению с применением аустенит- ной проволоки Св-10Х16Н25АМ6 (ЭИ395) прочностные свойства соединения с присадкой ЭК43-ВИ возрастают в 1,5—1,7 раза без снижения пластичности и вязкости (табл. 3). Таблица 3 Механические свойства сварных (АрДЭС) соединений стали 30ХГСН2А (толщина 20 мм > при сварке в термообработанном состоянии ов 0L.J (при МЦУ: о при Присадочный материал N**№7 цикл) Жм3« 104 цикл ic* _ МПа МШ^ Св~06Х13Н6М4К8Б~ВИ (ЭК43-ВИ) 1050 420 750 95 Св-10Х16Н25АМ6 (ЭИ395) 650 290 500 96 Тенденция применения сварочных проволок того же состава, что и основной металл, для аргоно-дуговой сварки жаропрочных никелевых сплавов сохранилась в отечественной и зарубежной практике до настоящего времени. Это оправдано применительно к гомогенным сплавам типа ЭИ435, Hastelloy и Inconel 625. Для сварки более жаропрочных листовых и особенно литейных сплавов в качестве присадок используются специально разработанные сварочные проволоки, что обусловливается склонностью этих сплавов к образованию трещин и в большинстве случаев — трудностью изготовления проволоки из основного металла [14—18]. 175
ГЛАВА в ^>^>jg»>;g» Исследованиями авторов установлено, что сопротивляемость никелевых сплавов образованию горячих трещин при сварке в существенной мере определяется содержанием титана и алюминия (рис. 4); аналогичная зависимость свариваемости зарубежных жаропрочных сплавов представлена на рис. 5. Сварочная проволока из гомогенных сплавов марок ЭП367 (Св-06Х15Н60М15) и ЭК22 (Св-ХН64КБМЮВФ) обеспечивает получение наплавленного металла с высокой стойкостью к образованию горячих трещин (А = 5,4 мм/мин — табл. 4). Это достигается путем исключения из состава присадок титана, ограничения содержания алюминия (<1,5%), введения повышенного количества (>15%) молибдена - доя ЭП367 или же путем совместного легирования кобальтом (8—12%), молибденом (2—4%), вольфрамом (2—4%), ниобием (3—4%) и ванадием Таблица 4 Свойства сварных соединений никелевых сплавов в зависимости от вида присадки Сплав Наплавленный металл ЭП718-ВД (ХН45МВТЮБР) ЭП914-ВД (ХН65ВМБЮ) ЭП693-ВД (ХН68ВМТЮК) ЭП99-ВД (ХН50МВКТЮР) Присадка ЭК22 ЭП367 ЭП533 Основной ЭП367 ЭП533 Основной ЭК22 ЭГО67 ЭП533 Основной ЭК22 ЭП367 ЭП533 Основной ЭК22 ЭП367 ЭП533 Толщина, мм - металл 2 15 2 15 металл 2 12 2 2 металл 2 2 2 12 металл 1,5 1,5 1,5 ов, МПа, при температуре, °С 20 740-810 710-730 960-1030 1100-1250 1150-1190 710-750 1210-1300 990-1070 1050-1200 1060-1080 850-950 1010-1080 1010-1090 1020-1080 1030-1060 1030-1060 1010-1190 1020 1120-1180 1100-1200 1060-1130 1090-1120 800 430-440 410-430 530-570 580-670 710-760 690-780 650-720 710-720 630-650 710-730 720-730 690-740 650-810 640-680 720-810 590 750-900 740-790 720-760 750-770 а100 » МПа ПО 230 210 200 240 240 240-260 230 230 230 240 310 250 240 260 4ф> мм/мин 5,4 4,5 4 2 3 3,1 2,4 3,5 3 2,7 3 4,0 3,1 3,0 3,0 4,0 4,0 3,0 176
ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССУ ПРОИЗВОДСТВА А1, % 5 4 3 2 1 •ЭП109 оЭП884 р ЭИ652 • ЖС6К •ЖС6 • ЭП220 • ЭИ929 •ЭП539 • ЭП881 \£П99#ЭИ826 #ЭП742 X. ЬЭП914Ч ФЭП199 ©ЭП708 «ЭИ617 *ЭШ93< Х. ФЭИ698 °ЭП709 ^о^^Ж1^ ° ВХ4Л °\^ГШ2 \ ОЭИ6024® Q °ЭИ437А °ЭИ868(П °ЭП437\ ^ • ВЖЛ12У X® О 1 Ti, Рис. 4. Склонность жаропрочных никелевых сплавов к образованию термических трещин в зависимости от содержания алюминия и титана: I — III — области сплавов, не склонных (о), с умеренной (с) и высокой склонностью к образованию трещин (•) соответственно А1, % 5 4 3 2 1 |—О—- 71 ЗС - ч ' \ '® о Mar M 200 IN 100 о AF2-10AO ч/ СЛл Удимет 700 Удимет 600л о о л ° °Астролои QIN738LC 3MR235° о Инконель 700 ° Удимет 500 ^* «^ 0Унитемп 1753 Рене62о >>Р^не41 @ Васпалой0 ^ч* о ИнконельХ750 ^*ч Инконель 718 о М252 ^ч о ° ИнконельХ ^ч i i i i ^ 0 1 2 3 4 5 Ti, % Рис. 5. Свариваемость жаропрочных никелевых сплавов, упрочненных /-фазой, в зависимости от содержания титана и алюминия: I, II - области удовлетворительно и трудносвариваемых сплавов соответственно 12 — 5961 177
ГЛАВА 8 ^»S^^>^^^g»^jh'^^^^^^|»^^ jjjgl»' (0,5—1,2%) — для ЭК22. Металл, наплавленный этими проволоками (см.табл. 4), соответствует свойствам гомогенных сплавов, и эти присадки используются для сварки гомогенных и дисперсионно-твердеющих сплавов, применяемых в узлах повышенной жесткости. Проволока из дисперсионно-твердеющего сплава ЭП590 (7—9% Мо; 7—9% W; 2,3—2,9% Ti), обеспечивающая удовлетворительную стойкость к образованию горячих трещин, создана как универсальная присадка для сварки широкой номенклатуры дисперсионно-твердеющих сплавов, позволяющая получать сварные соединения, равнопрочные основному металлу. Для снижения склонности сварных соединений к образованию термических трещин сварку некоторых дисперсионно-твердеющих сплавов (ЭП693, ЭП99) рекомендуется проводить с применением присадок из гомогенных сплавов ЭП367, ЭК22. При сварке такими присадками шов имеет более низкую жаропрочность и релаксационную стойкость, чем основной металл, что создает условия для преобладающей релаксации напряжений в более пластичном металле шва по сравнению с более жаропрочной околошовной зоной. Жаропрочность сварных соединений тонколистовых (до 2 мм) дисперсионно-твердеющих сплавов, выполненных с присадками ЭП533, ЭП367, ЭК22, составляет 0,95—0,98 от прочности основного металла. При сварке с гомогенными присадками это достигается за счет подле- гирования металла шва титаном и алюминием из основного металла вследствие его преимущественного участия в формировании шва. С увеличением толщины металла при многопроходной АрДЭС с V-образной разделкой кромок растет зона термического влияния и объем наплавленного металла, что вызывает снижение жаропрочности сварных соединений. При толщине металла 10—12 мм прочность сварных соединений, выполненных сварочной проволокой ЭП533, снижается до 0,8—0,9, а для присадок ЭП367 и ЭК22 — до 0,7—0,8 от прочности основного металла. При толщине сплава 15 мм кратковременная прочность сварных соединений приближается к прочности наплавленного металла. Результаты работы свидетельствуют, что выбор сварочной проволоки, аналогичной по составу свариваемому сплаву, может быть приемлем, если реализуемая в соединении прочность (жаропрочность) по уровню не ниже требований к типичным среднепрочным сварным конструкциям. По мере ужесточения требований к сварным соединениям (весовая отдача, надежность и долговечность) состав присадочных проволок неизбежно претерпевает изменения в целях обеспечения хорошей сопротивляемости образованию трещин и механических свойств на уров- 178
ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРОИЗВОДСТВА не свойств основного металла. Особенно сложные задачи возникают при сварке высокопрочных (высокожаропрочных) сплавов, что требует проведения систематических исследований по установлению влияния легирующих элементов на показатели свариваемости для получения новых эффективных присадочных материалов. Библиографический список 1. Никифоров Г. Д. Металлургия сварки плавлением алюминиевых сплавов. — М: Машиностроение, 1972. - 264 с. 2. Лукин В. И., Арбузов Ю.П., Грушко О.Е. Химические элементы, влияющие на свариваемость сплавов А1-Mg—Li // Сварочное производство, 1994, №1, с. 22-24. 3. Шалин Р. Е., Ефремов И. С., Яровинский Ю.Л., Лукин В. И. Опыт проектирования и изготовления крупногабаритных конструкций из алюминиевых сплавов для изделий ракетно- космической техники//Сварочное производство, 1996, №11, с. 14-18. 4. Лукин В.И. Sc — перспективный легирующий элемент для присадочных материалов// Сварочное производство, 1995, №6, с. 13—14. 5. Хорее М.А., Лукин В. И. и др. Присадочные материалы для сварки конструкционных титановых сплавов. — Технология легких сплавов, 1990, №5, с. 12—17. 6. Хорее А. К, Ермолова М.И., Гуськова Е.И. Влияние режимов термообработки на механические свойства и фазовый состав сплава BT23//Легирование и термическая обработка титановых сплавов, 1977, с. 96—105 (ВИАМ). 7. Хорее А. К, КрасножонА.И., Мухина Л. Г. Термомеханически упрочняемый титановый сплав BT19//Легирование и термическая обработка титановых сплавов, 1977, с. 286-290 (ВИАМ). 8. Симеиз Р.Ф., Стейнберг М.А. Требования к сплавам и конструирование планера самолета. — В кн.: Проблемы разработки конструкционных сплавов. — М.: Металургия, 1980. — с. 136-155. 9. Романив О.Н. Вязкость разрушения конструкционных сталей. — М.: Металлургия, 1979. — 176 с. 10. Лазько В. Е., Старова Л.Л., Ковальчук В. Г., Максимович Т.Л., Лабзина И.Е., Ядров В.М. Сварочная проволока для высокопрочных сталей//Сварочное производство, 1993, №10, с. 33-35. 11. Лазько В. Е., Борисов М.Т. и др. Высокопрочная сварочная проволока для соединения разнородных сталей // Сварочное производство, 1988, №12, с. 18. 12. Лазько В. Е., Старова Л.Л., Тарасенко Л. В. и др. Разработка проволоки марки Св-08Х14Н7КВМ-ВИ для сварки теплоустойчивых нержавеющих сталей // Автоматическая сварка, 1985, № 10, с. 30-35. 13. Лазько В. Е., Лукин В. И., Максимович Т.Л. Совершенствование технологии сварки высокопрочных сталей в термообработанном состоянии//Сварочное производство, 1998, №8, с. 8-12. 14. Сорокин Л. И. Свариваемость жаропрочных сплавов, применяемых в авиационных двигателях // Сварочное производство, 1997, №4, с. 4-11. 15. Сорокин Л. И., Багдасаров Ю. С, ТупикинВ.И. Сравнительная оценка присадочных проволок для аргоно-дуговой сварки жаропрочных сплавов//Сварочное производство, 1993, №10, с. 31-33. 16. Квасницкий В. Ф. Сварка и пайка жаропрочных сплавов в судостроении. — Л.: Судостроение, 1986. - 224 с. 17. Сорокин Л. И., Лукин В. И. Свариваемость литейных жаропрочных никелевых сплавов типа ЖС6 // Сварочное производство, 1997, №6, с. 12-17. 18. Сорокин Л. И., Лукин В. И., Багдасаров Ю.С. Оптимизация сварочной ремонтной технологии деталей газотурбинных двигателей (ГТД) из жаропрочных сплавов // Сварочное производство, 1997, №1, с. 19-23. 12* 179
Глава 7 ВЫСОКОПРОЧНЫЕ КОРРОЗИОННОСТОИКИЕ СТАЛИ И МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ПРИБОРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ УДК 669.14.018.8 А.Ф. Петраков, А.Б. Шалькевич ВЫСОКОПРОЧНЫЕ СТАЛИ В АВИАСТРОЕНИИ Применение в авиастроении высокопрочных сталей наряду с алюминиевыми и титановыми сплавами определяется рядом несомненных достоинств сталей: высокая жесткость и прочность, реализуемая при ограниченных габаритах деталей, усталостная долговечность, трещиностойкость, сопротивление высоким контактным нагрузкам, коррозионная стойкость, хорошая технологичность, относительно невысокая стоимость. В настоящее время в авиационной технике нашли применение три группы высокопрочных сталей: конструкционные высокопрочные сред- нелегированные; коррозионностоикие высокопрочные мартенситного и переходного классов и стали для деталей, работающих на трение и износ и подвергаемых химико-термической обработке. Высокопрочные конструкционные стали (30ХГСА, ВЛ1 и др.) с уровнем прочности а = 1600—1800 МПа заняли прочное место в конст- 180
ВЫСОКОПРОЧНЫЕ К0РР03И0НН0СТ0ЙКИЕ СТАЛИ И ПРИБОРНЫЕ МАТЕРИМЫ рукции самолетов для изготовления силового внутреннего набора планера (балки, лонжероны, рамы, оси и т.д.) и деталей шасси. Следует отметить, что конструкция отечественных шасси является сварной (в отличие от зарубежных), что существенно повышает требования к качеству металла и его технологичности. Повышение прочности сталей этого класса приводит к снижению характеристик, обеспечивающих работоспособность материала, — таких как пластичность, вязкость, циклическая прочность, сопротивление коррозионному растрескиванию и т.п., поэтому стали ВКС-1, КВК26-42 и др. с прочностью 2000—2200 МПа нашли применение только для изделий одноразового действия, например корпусов ракетных двигателей на твердом топливе. Применение высокопрочных сталей в изделиях авиационной техники заставило пересмотреть применяемые ранее подходы к конструированию и технологии изготовления деталей, так как эти стали обладают специфическими особенностями и существенно отличаются от сталей средней прочности (ав до 1400 МПа). В частности, нарушение технологического цикла может приводить к преждевременному разрушению деталей, несмотря на полную доброкачественность металла. Для обеспечения надежной работы сталей высокой прочности в ВИАМ были разработаны директивные материалы по конструированию, термической и механической обработке, защите от коррозии, сварке, подготовке персонала (рабочих и ИТР) на предприятиях отрасли. Все это способствовало быстрому и успешному внедрению высокопрочных сталей в изделия авиационной техники. Большую роль в создание и внедрение высокопрочных среднелегиро- ванных конструкционных сталей первого поколения внесли Я. М. Потак, СВ. Лепнёв, В.В. Сачков, СТ. Кишкин, И.И. Гузман, М.Ф. Алексеен- ко, Ф.Ф. Ажогин, СИ. Кишкина, Н.В. Кадобнова, Л.И. Прибылова, Н.В. Анисимова, А. А. Михеев, В. Я. Келехсаев, М.В. Поплавко и другие. Дальнейшие исследования показали, что задача повышения прочности сталей до 2000—2100 МПа при сохранении характеристик надежности может быть решена только на основе комплексного использования и развития достижений в области легирования и микролегирования, технологии выплавки, деформации и термической обработки. В результате проведенных работ были определены оптимальные пределы легирования по основным элементам: углероду, кремнию, хрому, никелю, молибдену, марганцу. Содержание углерода было ограничено пределами 0,32—0,38% из-за снижения локальной пластичности при 181
ГЛАВА 7 «■>>а»>^>%» разрушении и ухудшения свариваемости. Дополнительный прирост прочности достигается увеличением содержания кремния до 2,5%, упрочняющего твердый раствор. Для повышения сопротивления коррозионному растрескиванию было увеличено содержание никеля и молибдена до 3 и 1% соответствено. На основе проведенных исследований коллективом сотрудников ВИАМ (Н.Г. Покровская, А.Ф. Петраков, Л.Н. Беляков, И.П. Жегина и др.) были разработаны стали ВКС-8 и ВКС-9. Эти стали достаточно хорошо свариваются электронно-лучевой и аргоно-дуговой сваркой и нашли применение для изготовления крупногабаритных сварных деталей и узлов планера и шасси новых изделий конструкторских бюро А. И. Микояна, П.О. Сухого, O.K. Антонова. В настоящее время закончены исследования, обеспечивающие создание новой стали сверхвысокой прочности ВКС-12 (ав = 2200 МПа). При ее создании получили дальнейшее развитие принципы, заложенные в ос- Рис. 1. Неметаллические включения в стали ВКС-12 после раскисления + микролегирования Са, Mg, La (a — х320) и стандартного раскисления Si, Mn, A1 (б - хЮО) 182
ВЫСОКОПРОЧНЫЕ К0РР03И0НН0СТ0ИКИЕ СТАЛИ И ПРИБОРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ нову разработки сталей с прочностью более 2000 МПа. Повышение прочности достигнуто путем небольшого увеличения содержания углерода и до 3% кремния. Сталь легирована никелем (до 4,8%), кобальтом (до 2,5%). Уровень параметров надежности сталей ВКС-8, ВКС-9, ВКС-12 определяется качеством металла: содержанием вредных примесей, неметаллических включений и газов, химической и структурной однородностью получаемых полуфабрикатов. Проведенными исследованиями было показано, что содержание серы и фосфора не должно превышать 0,005% каждого. При этом благодаря оптимальному раскислению и микролегированию стали редкоземельными металлами (лантан, церий) и щелочноземельными элементами (кальций, магний) — при вакуумно-индукци- онной выплавке и формированию качественной структуры слитка — при вакуумно-дуговом переплаве было обеспечено получение низкой концентрации вредных примесей, неметаллических включений оптимального размера (0,5—1 мкм) и формы (рис. 1) при минимальной ликвационной неоднородности. Механические свойства высокопрочных конструкционных сталей приведены в табл. 1. Следует подчеркнуть, что благодаря новым подходам к созданию сталей столь высокой прочности было обеспечено получение высоких характеристик вязкости, пластичности, сопротивления коррозионному растрескиванию и усталости. Таблица 1 Механические свойства высокопрочных конструкционных сталей Сталь 30ХГСН2А-ВД ВКС-8-ИД ВКС-9-ИД ВКС-12-ИД а0,2 ] 1350 1500 1600 1700 МПа 1600 1800-2000 1950-2150 2100-2300 ¥> % 45 45 40 32-53 JTCU, Дж/см2 60 60 50 40 МПалГм 77,5-99,2 74,5-99,2 74,5-99,2 - МПа 660 700 720 770 На рис. 2 представлены фрактографии образцов стали ВКС-12 с ав=2235 МПа. В изломах испытанных образцов не наблюдается признаков хрупкого разрушения даже в условиях жесткого напряженного состояния и действия низких (до -70 °С) температур. Необходимо также отметить, что благодаря оптимальному легированию стали ВКС-9 и ВКС-12 имеют более низкие величины плотности 183
шш^^ Рис. 2. Изломы (Х2000) образцов стали ВКС-12 [ав = 2240 МПа; KCV 45(a) и 35 Дж/см2 (б)] при различных температурах испытаний: а — 20°С; б - -70°С по сравнению со сталью 30ХГСН2А, что существенно повышает значения их удельной прочности (рис. 3). Дальнейшее повышение прочности конструкционных сталей возможно только при использовании другого принципа упрочнения — дисперсионного твердения безуглеродистого мартенсита. В ВИАМ был выполнен комплекс работ (В. В. Сачков, O.K. Ревякина, Е.С. Каган с сотрудниками) по созданию сверхвысокопрочных безуглеродистых мартенситостареющих ста- ajd, усл. ед. (км) 22,5 30ХГСН2А1 Рис. 3. Удельная прочность [cjd, усл. ед. (км)] конструкционных сталей 184
ВЫСОКОПРОЧНЫЕ К0РР03И0НН0СТ0ИКИЕ СТАЛИ И ПРИБОРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ лей с прочностью до 2550 МПа (табл. 2). Наряду с высокими прочностными свойствами эти стали обладают высокими пластичностью, вязкостью разрушения, сопротивлением повторно-статическим нагрузкам при достаточном сопротивлении коррозионному и водородному растрескиванию. Благодаря низкому содержанию в сталях углерода и азота они обладают высокой технологичностью, позволяющей после закалки проводить различные виды холодной обработки давлением (раскатку обечаек, высадку, накатку резьбы), без затруднений обрабатывать режущим инструментом и затем повышать в 2 раза прочность простой термической обработкой (старением при относительно низких температурах: ~500°С) практически без поводок и коробления. Таблица 2 Механические свойства высокопрочных мартенеитостареющих сталей Сталь 0JJ °°>2 ¥* **' КхсУ МПа % Дж/ш2 МПа^ьГ ВКС-210 1950-2200 >1850 45 30 80 ВКС-240 2200-2500 >2100 40 20 40 ВКС-260 2500-2700 >2400 30 20 Разработка нового класса безуглеродистых высоколегированных сталей стала возможна только благодаря созданию новой технологии их выплавки, обеспечивающей получение заданного состава в узких пределах и минимального содержания вредных примесей: углерода, азота, кислорода, серы, фосфора, а также кремния, марганца и неметаллических включений. Впервые в мире разработаны режимы термической обработки мартенеитостареющих сталей, позволяющие устранить охрупчивание, вызываемое выделением карбидов в процессе медленного охлаждения крупногабаритных полуфабрикатов. Так, для стали ВКС-210, наряду с двухступенчатой закалкой с температур 1050-1220 °С и 900-950 °С, дополнительно проводится низкотемпературная закалка с 780 °С, позволяющая получить наследственную структуру мартенсита с фазовым наклепом, что обеспечивает повышение прочностных свойств, вязкости разрушения и особенно сопротивления коррозионному растрескиванию и замедленному хрупкому разрушению. Сталь ВКС-210 нашла применение для изготовления тяжело нагруженных деталей истребителей МиГ-31, МиГ-25, МиГ-29, космического корабля «Буран» и других изделий. 185
ГЛАВА 7 <^»i»>^>%»- Наряду с конструкционными мартенситостареющими сталями в В И AM разработана коррозионностойкая мартенситостареющая сталь ВНС-17 с прочностью 1420—1570 МПа, нашедшая широкое применение как для силовых деталей планера, ракетных твердотопливных двигателей, так и для агрегатов, в том числе деталей, упрочняемых азотированием, совмещенным со старением при упрочнении стали. Создание свехзвуковых (М= 2,5—3) фронтовых истребителей поставило задачу преодоления «теплового барьера» (Т = 280—300 °С) — температуры, при которой не могли быть использованы алюминиевые сплавы. Конструктивно в этих истребителях фюзеляж и центральная секция крыла были запроектированы как несущие баки-кессоны, герметичность которых обеспечивалась сваркой, так как не существовало высокотемпературных герметиков. В связи с этим в ВИАМ были созданы высокопрочные коррозион- ностойкие, хорошо свариваемые стали (табл. 3), в которых высокие прочность, пластичность и вязкость сочетаются с высокой технологичностью: стали мартенситного класса — ВНС-2, ЭП817 (Я. М. Потак, Ю. Ф. Орже- ховский, СИ. Бирман) и переходного аустенито-мартенситного класса — ВНС-5, СН-2А, СН-3 (Я.М. Потак, Л. С. Попова, Н.М. Вознесенская), которые нашли широкое применение в конструкциях самолетов МиГ-25, МиГ-29, МиГ-31, Су-24, Су-27, Ил-86, Ил-96 и ракетной технике. Основным материалом, обусловившим возможность создания цельносварных самолетных отсеков, явилась коррозионностойкая сталь ВНС-2 (ЭП410У-Ш) с пределом прочности 1250—1400 МПа. Эта сталь, благодаря высокой прочности и надежности сварных соединений без термической обработки после сварки, широко применяется в виде листа и ленты для обшивки и внутреннего набора, а также для силовых деталей, изготовляемых из прутков, поковок, штамповок. Коррозионная стойкость стали ВНС-2 и ее сварных соединений удовлетворительна для общеклиматических условий, но эксплуатация авиационной техники в условиях Средиземноморья показала необходимость существенного повышения ее коррозионной стойкости. С этой целью для листовых деталей из стали ВНС-2 был разработан режим перестаривания со снижением уровня прочности до ав> 1150 МПа. Однако проблема кардинального повышения коррозионной стойкости сталей этого класса с сохранением уровня прочности была решена только при создании стали ЭП817. Сталь ЭП817 является модификацией стали ВНС-2, дополнительно легирована молибденом и ниобием для повышения сопротивления кор- 186
ВЫСОКОПРОЧНЫЕ К0РР03И0НН0СТ0ИКИЕ СТАЛИ И ПРИБОРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ Таблица 3 Механические свойства высокопрочных коррозионностойких сталей Сталь ВНС-2, ЭП817 ВНС-41 ВНС-5 СН-ЗМ СН-ЗПН СН-2А Вид полуфабриката Пруток, поковка, штамповка, прессованный профиль, лист Лист Пруток, поковка, штамповка Лист, лента Лист Пруток, поковка, штамповка а0,2 ав МПа 1050 1300 1200 1600 900 1100 1050 1350 1350 1600 1450 1200 1300 1300 КСТ, Ajc, Дж/см2 МПал/мГ при температуре, °С +20 -70 +20 -70 70 60 80 100 - - 120 10 45 20 40 - - 100 155 - 155 173,6 - - >115 71,3 - 114,7 124 - - >115 * авхв> т.о.+св. 1200 1200 700 700 700 900 МПа св.-ьт.о. - 1300 1200 1000 900 Прочность сварного соединения после термообработки и сварки (т.он-св.) и сварки с последующей термообработкой (св.+т.о.)« розионному растрескиванию сварных соединений в состоянии термообработка + сварка. Коррозионностойкие стали переходного класса при более высокой прочности основного металла требуют проведения термической обработки после сварки для повышения прочности сварных соединений. Сталь ВНС-5 этого класса широко применяется для изготовления силовых деталей и узлов самолетов различного типа (рамы, лонжероны, узлы поворота крыла, детали шасси), а также высоконагруженных болтов, работающих на растяжение, с накаткой резьбы в упрочненном состоянии, что позволяет значительно повысить сопротивление поворотным нагрузкам. Уровень прочности стали (ств= 1500—1600 МПа) зависит от температуры отпуска (350 и 200 °С соответственно) после закалки с 1070 °С и обработки холодом. Благодаря присутствию в структуре регламентированного содержания остаточного аустенита сталь обладает высокими характеристиками надежности. Оптимальный фазовый состав обеспечивается применением разработанной в ВИАМ специальной технологии выплавки с магнитным экспресс-контролем в процессе плавки. 187
ГЛАВА 7 Сталь СН-3 (08Х17Н5МЗ) с пределом прочности 1200-1400 МПа обладает высоким сопротивлением коррозионному растрескиванию и в виде листа (в мягком и полунагартованном состояниях) и ленты применяется для обшивки и деталей внутреннего набора, изготовляемых методом глубокой вытяжки, в сварных и паяных конструкциях. Высокие вязкость и пластичность стали СН-2А (07X16Н6) с пределом прочности 1100—1300 МПа позволили широко применять ее для изготовления силовых, в том числе крепежных, деталей и кислородных баллонов высокого давления, которыми оснащены самолеты всех видов. Проведенные эксперименты по разрушению находящихся под давлением -15 МПа (150 ат) баллонов внешним воздействием показали безосколочный характер их разрушения, подтвердив этим высокий запас вязкости стали. Для применения стали СН-2А в крупных сечениях была разработана модификация, легированная молибденом, что обеспечило формирование закаленной структуры без карбидной фазы по границам зерен и высокие вязкость и сопротивление коррозионному растрескиванию. На основе проведенных в последние годы исследований по отработке систем легирования и совершенствованию технологии выплавки разработаны новые стали переходного класса ВНС-43 и ВНС-65 (табл. 4) с существенно более высоким комплексом механических свойств, превосходящих свойства существующих отечественных и зарубежных аналогов (Н. М. Вознесенская, А. Б. Шалькевич, А.Ф. Петраков). Таблица 4 Механические свойства коррозионностойких сталей повышенной прочности Сталь ов 0О2 оПЦ ч>, % KCU, К1сУ Сопротивление КР п / 1 ългт г- в камере соляного МПа (не менее) Д*/™2 МПа Vm тууя^ а$ мш ВНС-43 1600 1200 940 50 80 144 1000 ВНС-65 1800 1350 ИЗО 45 80 134 1200 Создание новых видов авиационной и ракетной техники потребовало изыскания материалов, работоспособных в сложных условиях воздействия криогенного топлива — водорода. Разработка коррозионностойких мартенситостареющих сталей позволила решить эту проблему и обеспечить создание конструкций высокой надежности, работающих при криогенных температурах (Я.М. Потак, В. И. Козловская). 188
ВЫСОКОПРОЧНЫЕ К0РР03И0НН0СТ0ЙКИЕ СТАЛИ И ПРИБОРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ По сравнению с аустенитными сталями типа 12Х18Н10Т, широко применяемыми в криогенной технике, мартенситостареющие стали более технологичны и обеспечивают более высокие уровни прочности и особенно текучести основного металла и сварных соединений как при комнатной, так и при криогенных температурах. В настоящее время разработана серия мартенситостареющих безуглеродистых коррозионностойких сталей с уровнем прочности ав= 1000— 1400 МПа (стали ВНС-25, ВНС-49, ВНС-59). Уровень механических свойств этих сталей при комнатной и криогенных температурах (в сравнении со сталью 12Х18Н10Т) представлен в табл. 5. Механические свойства сталей криогенного назначения Таблица 5 Марка стали 03Х12Н10МТ (ВНС-25) 03Х9Н9К5МЗ (ВНС-49) 03Х10Н9К7МЗ (ВНС-59) 12Х18Н10Т Температура испытания, К 293 77 20 293 77 20 293 77 20 293 20 МПа |Щ^1Шр1Шш1 1200 1650 1900 |:;;|Й||Щ1Ш11 650 1850 аоа 930 1350 1550 1170 1500 1700 1300 1700 1900 280 450 КСТ, Дж/см2 130 80 40 110 50 30 130 40 20 28 13 Помимо высокой работоспособности при криогенных температурах, безуглеродистые мартенситостареющие стали обладают еще одним важным свойством — отсутствием выделения карбидных сеток по границам зерен при замедленном охлаждении. Для силовых деталей и сварных узлов, длительно (в течение 200 ч) работающих при температурах от -100 до +450 °С во всеклиматических условиях, разработана теплопрочная коррозионностойкая сталь ВНС-16-1, отличительной особенностью которой является ее способность подвергаться высокотемпературной пайке при 1000 °С без образования при замедленном охлаждении выделений, вызывающих охрупчивание и снижение коррозионной стойкости. 189
ГЛАВА 7 ^»^».^> »■ Стали ВНС-25 и ВНС16-1 внедрены для изготовления деталей и узлов ракетных двигателей ОАО «НПО Энергомаш». Среднелегированные и коррозионностойкие стали широко применяются не только как конструкционные материалы, но и как материалы для изготовления деталей редукторов и агрегатов, подвергаемых химико-термической обработке. Как правило, требуется значительная модификация существующих сталей или разработка принципиально новых составов, обеспечивающих сочетание необходимых свойств слоя (высокая твердость, износостойкость, усталостная прочность) и сердцевины (пластичность, вязкость, технологичность и др.). Для тяжело нагруженных крупномодульных шестерен редукторов разработана сталь ВКС-7 с карбонитридным упрочнением, обеспечивающая после химико-термической обработки глубину слоя до 2,5 мм без образования карбидных сеток, высокую контактную долговечность при рабочих температурах до 250 °С. Весьма важным требованием к деталям тяжело нагруженных зубчатых передач является обеспечение их работоспособности в широком интервале температур: от -70 до +350 °С. Существенным прорывом в этом направлении является теплостойкая сталь 13ХЗНЗМ2ВФБ (ВКС-10), дисперсионно-упрочняемая трехкратным отпуском при 530 °С. Сталь ВКС-10 со специальным комплексным упрочнением (твердорастворное, карбидное, интерметаллидное) при термообработке на вторичную твердость обеспечивает твердость слоя > 60 HRC длительно при температурах до 350 °С и кратковременно — до 550 °С. Легирование стали обеспечивает измельчение аустенитного зерна, формирование при химико-термической обработке мелкодисперсной карбидной фазы в цементованном слое и высокий комплекс механических свойств. Оптимальный баланс легирующих элементов позволяет применить комбинированные методы диффузионного насыщения, обеспечивающие наиболее высокие значения контактной долговечности по сравнению с аналогичными свойствами применяемых цементуемых сталей. Для работы при температурах 500—700 °С в условиях трения без жидкой смазки разработаны процессы борирования. Для получения тонких боридных слоев (до 0,2 мм) борирование проводят в расплаве насыщающих веществ, для получения более толстых (до 0,8 мм) — в порошковой смеси. Последний процесс позволяет получить композиционную структуру боридного слоя с твердостью выше 60 HRC. Этот слой способен выдерживать высокие контактные напряжения (500—700 МПа), повышает усталостную прочность материала при комнатной температуре и не снижает коррозионную стойкость и жаростойкость сталей и 190
ВЫСОКОПРОЧНЫЕ К0РР03И0НН0СТ0ЙКИЕ СТАЛИ И ПРИБОРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ железоникельхромовых сплавов типа ХН45МВТЮБР (ЭП718). Работы в области химико-термической обработки сталей и сплавов проводились коллективом сотрудников: Ю. Ю. Черкис, Г. П. Алексеева, В. И. Белякова, А. Н. Уткина, А. В. Голубин, И. П. Банас. УДК 621.318.2 Е.Н. Каблов, В.П. Пискорский, Л.А. Брук ПОСТОЯННЫЕ МАГНИТЫ ИЗ СПЛАВОВ Nd-Fe-B Невозможно представить современный летательный аппарат без использования постоянных магнитов. Магниты используют в генераторах, исполнительных двигателях систем авиационной автоматики, различных навигационных приборах и т.д. Основная задача магнита — создание постоянного магнитного поля в заданном объеме магнитной системы, например прибора. Естественно, что масса и объем магнитной системы прибора должны быть по возможности минимальны. В данном случае мас- согабаритные характеристики определяются величиной максимального энергетического произведения (ВН)тзх материала магнита. Кратко охарактеризуем основные параметры магнитного материала. Полную информацию о магни- тотвердом материале (при данной температуре) дает его кривая размагничивания (рис. 1). Известно, что свободная энергия магнитного поля (Е), создаваемого магнитом в окружающем его пространстве, равняется: Е= (BH)VM-Sn, (1) где VM — объем магнита, а величины В и Н относятся к материалу магнита. Таким образом, энергетическое произведение BE (произведение О (ВН)Х Рис. 1. Кривая размагничивания магнито- твердого материала: 1 — размагничивание материала по намагниченности (Нс1 — коэрцитивная сила по намагниченности); 2 — размагничивание по индукции (НсВ — коэрцитивная сила по индукции; В= Н+ 4п1 — магнитная индукция материала, где 4л/ - намагниченность единицы объема материала); 3 — зависимость произведения ВН от В 191
индукции магнитного материала на соответствующее ей значение поля внутри магнита) характеризует энергию магнитного поля магнита в окружающем пространстве, отнесенную к единице объема магнита. При определенных значениях В и Я произведение имеет максимум (см. рис. 1). Величина (ЯЯ)тах является энергетической характеристикой магнитного материала. Чем больше величина (ЯЯ)тах, тем меньше объем магнита, требуемый для создания заданного поля в объеме магнитной системы. Определяющими параметрами, характеризующими пригодность магнитного материала для постоянных магнитов, являются: температура Кюри (ГД намагниченность насыщения (4лIs), эффективное поле анизотропии (ЯА). Поле ЯА характеризует то магнитное поле, которое удерживает магнитные моменты атомов в заданном направлении. Величина ЯА является теоретическим пределом для коэрцитивной силы Нс1. Величина 4я/5 - это максимальная возможная намагниченность материала, она является теоретическим пределом для остаточной индукции В . При Т> Тс исчезает спонтанная намагниченность, и материал становится парамагнитным. Таким образом, температура Кюри - это теоретический предел для максимальной рабочей температуры (71) магнита (на самом деле Тр значительно меньше Тс, так как ЯА быстро снижается при увеличении температуры). Для магнитов, особенно применяемых в навигационных приборах, важной характеристикой является температурный коэффициент остаточной индукции (а, %/К), определяемый по формуле: ВГ(20°С)(Т-20)°С (2) В табл. 1 приведены характеристики основных магнитотвердых материалов, полученные при испытании лучших лабораторных образцов. Разумеется, свойства серийно выпускаемых магнитов ниже. Магнитные характеристики магнитотвердых материалов Таблица I Материал Ферриш Алышко SmCo5 Sm2Co17 Nd-Fe-B В„ Тл 0,41 1,18 1,02 1,15 1,46 Иф кА/м 280 96 1400 1440 1000 кДж/м3 32 88 200 256 424 а, %/К -0,19 -0.006+-0.02 -0,045 -0,03 -0,11 Т 200 650 250 300 80 °С 450 850 720 800 300 192
ВЫСОКОПРОЧНЫЕ К0РР03И0НН0СТ0ЙКИЕ СТАЛИ И ПРИБОРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ Представленные данные показывают (см. табл. 1), что не существует магнитного материала, «идеального» по всем параметрам. Так, Nd—Fe—В при своих уникальных характеристиках обладает низкой термостабильностью (<х = -0,11%/К). МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ Nd-Fe-B Магниты на основе Nd—Fe—В были впервые получены в 1983 г. японскими исследователями и в настоящий момент остаются наиболее мощными. Свойства этих магнитов определяются свойствами интерметаллического соединения Nd2Fe14B с тетрагональной структурой. Строение материала Nd—Fe—В схематично представлено на рис. 2. Межзеренная фаза п (80—90% (ат.) Nd, Fe — ост.) является немагнитной, однако эта фаза крайне важна, так как играет роль магнитной изоляции между зернами фазы Т Недостаточное количество этой фазы приводит к резкому падению величины Нс1. Разумеется, кроме фаз Тип, присутствует некоторое количество других фаз, не показанных на рис. 2, причем влияние этих фаз на формирование магнитных характеристик достаточно велико. Если бы магнит состоял только из фазы Nd2Fe14B, то теоретически он бы мог иметь следующие свойства: Вг — 1,6 Тл, (ВН)тах =512 кДж/м3. Ясно, что для получения максимальных значений (ВН)тах необходимо минимальное количество фазы я, но, к сожалению, эта фаза крайне чувствительна к окислению (особенно в присутствии паров воды), поэтому очень важна чистота технологии, особенно на стадиях порошкового передела. Технология изготовления магнитов Nd—Fe—В, как и всех магнитов на основе РЗМ, включает в себя следующие основные операции: выплавку слитка заданного состава в вакуумной индукционной печи; дробление слитка в защитной атмосфере до размера частиц порядка 500 мкм; тонкий помол в защитной среде (например, спирт или фреон) до монокристаллического размера частиц (менее 10 мкм). Магниты должны иметь текстуру (величина Вг магнита с текстурой в 2 раза выше, чем у изотропного), поэтому прессование Рис' 2' £хема с1»°™ня магн™> г ' материала Nd—Fe—В (Г — зерна фазы заготовок проводят в магнитном Nd2Fe14B; п - межзеренная, обогащен- поле. Поскольку частицы фазы Т ная Nd, фаза) 13 — 5961 193
монокристаллические, то их оси 4-го порядка ориентируются параллельно полю, а давление прессования фиксирует это состояние. Далее следует операция спекания в вакууме [не ниже —1,33 мПа (10~5 мм рт. ст.)] до плотности 97—99% от теоретической. Спекание жидкофазное, роль жидкой фазы играет фаза п. Спеченные заготовки шлифуют до заданного размера алмазным инструментом. В зависимости от технических требований к магниту, магнитный материал легируют различными элементами. Так, для увеличения величины Нс1 материал легируют диспрозием, тербием (величина НА для фаз Dy2Fe14B и Tb2Fe14B составляет 12000 и 17600 кА/м соответственно, в отличие от ЯА = 5840 кА/м для фазы Nd2Fe14B). С увеличением Нс1 растет максимальная рабочая температура магнита. К сожалению, легирование диспрозием и тербием (как и любыми тяжелыми РЗМ) неизбежно приводит к уменьшению величины Вг Это связано с тем, что магнитные моменты тяжелых РЗМ (ТРЗМ) связаны с остальными магнитными моментами (Nd, Fe) антиферромагнитно. Существует ряд элементов, используемых в качестве микродобавок, положительное влияние которых на величину Нс1 связано с изменением фазового либо химического состава существующих фаз. Так, добавка тугоплавких металлов (V, Nb, Mo, Ti и др.) приводит к образованию боридов (типа TiB2, NbFeB, V2FeB2 и др.), которые препятствуют росту зерна фазы Nd2Fe14B в процессе спекания. Дело в том, что с увеличением размера зерна этой фазы падает величина Нс1. Существуют металлы, положительное влияние которых определяется их воздействием на свойства межзеренной фазы п: например, алюминий и галлий улучшают смачиваемость фазой п основной магнитной фазы Т в процессе жидкофазного спекания; медь понижает температуру спекания. Обычно все легирующие элементы используются совместно. Влияние легирующих элементов можно наблюдать на примере материалов, разработанных в ВИАМ (табл. 2). Таблица 2 влияние легирующих элементов не свойства магнитов Материал Состав % (по массе) В& *" (1[fW Тр* кА/ы Тл кДж/м3 °С НдЭЗРА Nd32 2A1045Ti10BllFeQCT 720 1>29 32° 80 (ТУ 1-595-37-480-95) » ♦ . . ЩЗЗДи2К2ТЩ Nd3l$Dya5Co063Al045Ti094BuFeocr 1440 1Д4 240 150 (ТУ Ь595~37-503~96) >»»..• 194
ВЫСОКОПРОЧНЫЕ К0РР03И0НН0СТ0ЙКИЕ СТИЛИ И ПРИБОРНЫЕ МАТЕРИМЫ За 17 лет, прошедших с момента появления магнитов Nd—Fe—В, их относительное количество среди всех магнитов на основе РЗМ постоянно росло. Так, если в 1990 г., например, в Японии доля магнитов на основе Nd—Fe—В составляла 50%, то в 1996 г. — уже 85%. Разумеется, существуют области, где магниты Sm—Со или Альнико в принципе незаменимы. В первую очередь это связано с их высокой температурой Кюри и температурной стабильностью. Однако система Nd—Fe—В может, по-видимому, применяться и в тех областях техники, где до настоящего времени использовались только магниты Sm—Со. МАГНИТЫ СИСТЕМЫ Nd-Fe-B С ПОВЫШЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРНОЙ СТАБИЛЬНОСТЬЮ Существуют различные навигационные приборы, в которых оптимальными являются кольцевые магниты с радиальной текстурой (КМРТ). Особенностью таких магнитов является возникновение в них (в процессе охлаждения после спекания) тангенциальных напряжений (а,), величина и знак которых определяются разницей температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) в направлении перпендикулярном и параллельном текстуре: а, =/(£, p., Rx ,R2)AT(C±-C{1), (3) где Е9 \i — модуль Юнга и коэффициент Пуассона соответственно; Щ и R2 — внутренний и наружный радиусы кольца; AT — разница температур; С±, Сц — ТКЛР в направлении перпендикулярном и параллельном текстуре соответственно. Хорошо известно, что для магнитов SmCo5 величины С± = = 13,8 • 10~6 1/К, Сц = 5,5 • КГ6 1/К, а для магнитов на основе Sm2Co17 эти величины составляют 12,5 • 10~6 и 8,7 • 10~6 1/К соответственно. Это приводит к тому, что для КМРТ Gt > 0 и, в случае SmCo5, превышает предел прочности при растяжении. Таким образом, изготовление цельных КМРТ из сплавов на основе Sm—Со крайне затруднено. Поэтому в большинстве приборов, в частности для динамически настраиваемых гироскопов (ДНГ), радиальные кольца собирают из сегментов, что значительно усложняет сборку и настройку прибора и отрицательно влияет на его точность. Между тем для приборов крайне важна температурная стабильность магнитов. По данному параметру материалы Sm—Со вполне удовлетворяют разработчиков приборов. Именно поэтому в настоя- 13* 195
щее время в большей части навигационных приборов применяются магниты Sm—Со и, частично, Альнико. В материалах на основе системы Nd—Fe—В, как правило, С±< Сц, и при охлаждении КМРТ действуют сжимающие тангенциальные напряжения. Это, конечно, осложняет шлифовку магнитов, однако дает возможность изготовлять цельные КМРТ. К сожалению, магниты Nd—Fe—В имеют низкую термостабильность (см. табл. 1), которая, однако, может быть существенно повышена. Механизм этого можно представить следующим образом. При легировании Nd—Fe—В тяжелыми РЗМ (Dy, Tb, Но и др.), последние замещают неодим в фазе Nd2Fe14B, но их магнитные моменты упорядочены антипараллельно магнитным моментам ионов Nd и Fe. Легирование Со приводит к тому, что магнитные моменты его ионов связаны с моментами ионов Fe ферромагнитно. Рассматривая простейшую модель двух магнитных антиферромагнитно связанных подрешеток, можно представить (схематично) их температурные зависимости намагниченности (рис. 3). Как видно на рис. 3, форма кривой температурной зависимости намагниченности материала Nd—TP3M—Fe—Со—В (кривая 3) зависит от формы кривых намагниченности подрешеток (кривые 1 и 2). Форма (наклон) этих кривых в основном определяется величиной обменного взаимодействия магнитных моментов внутри подрешеток. Величина же обменного взаимодействия зависит в свою очередь от концентрации тяжелых редкоземельных металлов (ТРЗМ) в одной подрешетке и концентрации Fe и Со — в другой. Таким образом, подбирая соотношение ТРЗМ/Со, мы имеем принципиальную возможность менять форму температурной зависимости намагниченности и, значит, температурный коэффициент индукции материала. Авторами были исследованы магниты, полученные из сплава с частичным замещением 47^ 7 неодима на ТРЗМ (Dy, Tb или Dy, Tb, Но) и железа на кобальт. Сплавы Ndbjc TP3MxFeb>; Coy\l^B7 5 % (ат.) были выплавлены в индукционной печи в атмосфере аргона, а магниты изготовлены по традиционной порошковой технологии. Оказалось, что тем- Рис. 3. Температурная зависимость пературный коэффициент индукции а намагниченности магнита состава , . , Nd-TP3M-Fe-Co-B: намапшченность как Функция х/у (где х и у - концен- подрешетки ионов Nd, Fe, Co (/), под- трации ТРЗМ и Со соответственно) решетки ТРЗМ (2) и суммарная (3) быстро уменьшается с возрастанием от- 196
ВЫСОКОПРОЧНЫЕ К0РР03И0НН0СТ0ЙКИЕ СТАЛИ И ПРИБОРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ношения х/у (в области 20— 100°С). График зависимости а от х/у смещается вниз с увеличением у. Магнитные свойства некоторых материалов представлены в табл. 3. Таблица 3 Магнитные свойства некоторых термостабильных материалов системы Nd-Fe-B В Я (ШН\ а* ^/^* Максимальная рабочая х/у * <& v^'max» при температуре, °С температура, °С Тл кА/м кДж/м3 2СН60 20-100 (при В/Н** 2) 0,21 1,03 1280 192 Ч),065 -0,070 120 0,33 0,91 1424 140 -0,040 -0,050 190 0,34 0,82 1480 120 -0,025 -0,030 170 0,36 0,78 1440 112 -0,004 -0,022 180 Следует отметить, что зависимость величины а от соотношения х/у качественно хорошо согласуется с представленной выше моделью двухпод- решеточного магнитного материала. Полученные результаты (см. табл. 3) весьма близки к результатам, характерным для серийных магнитов Sm-Co, что позволяет говорить о замене со временем в приборах КМРТ из сегментов на цельные кольцевые магниты с радиальной текстурой из Nd-Fe-B.
Глава 8 АЛЮМИНИЕВЫЕ И МАГНИЕВЫЕ СПЛАВЫ, КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ИХ ОСНОВЕ. АНТИКОРРОЗИОННАЯ ЗАЩИТА МАТЕРИАЛОВ И КОНСТРУКЦИЙ УДК 669.71:669.721 И.Н. Фридляндер ВЫСОКОПРОЧНЫЕ, ЖАРОПРОЧНЫЕ И КОРРОЗИОННОСТОЙКИЕ АЛЮМИНИЕВЫЕ И МАГНИЕВЫЕ СПЛАВЫ, КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ИХ ОСНОВЕ Высокопрочные алюминиевые сплавы системы А1—Zn—Mg—Си наряду со сплавами типа дуралюмин остаются основными конструкционными материалами современной и перспективной авиационной техники. Самый распространенный среди этих сплавов и универсальный в отношении выпускаемых полуфабрикатов сплав В95 был разработан в 1940-х годах под руководством И.Н. Фридляндера коллективом сотрудников (среди которых следует выделить Е. И. Кутайцеву) на основе обширных исследований роли основных компонентов, малых добавок марганца и хрома, режимов термообработки. Сплав В95, превосходящий по 198
АЛЮМИНИЕВЫЕ И МАГНИЕВЫЕ СПЛАВЫ, КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИМЫ пределу прочности на 20% и по пределу текучести на 40% сплав Д16, впервые был применен в состоянии максимальной прочности Т1 в бомбардировщике Ту-16 КБ А. Н. Туполева, а затем в первом реактивном пассажирском самолете Ту-104 и других самолетах. Освоение сплава В95 в промышленности проходило с большими трудностями. Разработке технологических процессов изготовления полуфабрикатов, начиная от литья слитков, способствовали работы многих советских ученых: СМ. Воронова, В.И. Добаткина, Ф.В. Тулянкина, Р. И. Барбанеля, а также Е.Д. Захарова, А. Е. Семенова, 3. Г. Филипповой. За разработку и внедрение сплава В95 И. Н. Фридляндеру и Е. И. Ку- тайцевой, а также участникам работ в других организациях была присуждена Сталинская (Государственная) премия СССР. В 1956 г. для изделий атомной промышленности был разработан высоколегированный сплав В96Ц, который превосходит сплав В95 по пределам прочности и текучести на 20 и 30% соответственно. В сплав В96Ц впервые в мировой практике введена эффективная малая добавка циркония, что обеспечило его повышенную пластичность и вязкость разрушения (как и других высокопрочных сплавов). Сплав В96Ц разработан под руководством И.Н. Фридляндера и Е. И. Кутайцевой, полуфабрикаты и изделия из него осваивались при участии В. И. Исаева, А.Е. Семенова, И. И. Молостовой, О. Г. Сенаторовой, Ю.А. Потапова и др. Сплав В96Ц сыграл выдающуюся роль в атомной технике, его применение для центрифуг позволило вырабатывать обогащенный уран 235 самым дешевым способом. За разработку и внедрение сплава В96Ц И.Н. Фридляндеру, Е. И. Кутайцевой и А. Е. Семенову присвоено звание лауреатов Ленинской премии. В 1957 г. И. Н. Фридляндером совместно с В. И. Хольновой разработан оригинальный отечественный ковочный сплав В93 системы А1—Zn—Mg—Cu, легированный небольшим количеством железа вместо марганца, хрома и циркония, для изготовления крупногабаритных поковок и штамповок. Благодаря такой композиции сплава обеспечена высокая прокаливае- мость и однородность механических свойств массивных сечений в трех направлениях. Сплав В93 и его улучшенная модификация В93п.ч. обладают высокой технологичностью при литье слитков, ковке, штамповке и закалке. Из сплава В93 изготовлен силовой каркас большого транспортного самолета «Антей». Из сплава В93п.ч. производят шпангоуты и другие детали внутреннего силового набора пассажирских самолетов. В 1970-х годах произошла существенная эволюция высокопрочных сплавов системы А1—Zn—Mg—Cu в связи с увеличением ресурса и изме- 199
нением принципов конструирования самолетов и соответственно требований обеспечения нового комплекса свойств (характеристик трещино- стойкости и коррозионной стойкости) наряду с высокой прочностью. Под руководством И. Н. Фридляндера эти задачи были решены двумя путями. Радикальным способом повышения пластичности, вязкости разрушения, сопротивления развитию трещин усталости явились жесткое ограничение примесей железа и кремния и разработка сплавов повышенной и особой чистоты (В95п.ч., В95о.ч., В93п.ч.). Кардинальным способом повышения стойкости к опасным видам коррозии (коррозионному растрескиванию под напряжением, расслаивающей коррозии) явилась разработка и внедрение ступенчатых режимов смягчающего старения (Т2, ТЗ). Это открыло возможность широкого применения высокопрочных сплавов в самолетах Ил-86, Ил-96, Ту-154, Ту-204 и других и расширило область их использования (например, в виде неплакиро- ванных листов). Работа по созданию и освоению сплавов В95п.ч., В95о.ч. в состояниях Т2 и ТЗ выполнялась совместно с Е. И. Кутайцевой, И. В. Бутусовой, О. Г. Сенаторовой, С. А. Каримовой, С. Н. Боровских, сплава В93п.ч. — совместно с В. И. Хольновой, Е.А. Ткаченко. На базе сплава В93п.ч. был создан новый перспективный сплав 1933 (совместно с Е.А. Ткаченко и В. И. Хольновой). Введение циркония при оптимизации содержания железа привело к заметному повышению характеристик трещиностойкости, усталости, прочности при сохранении высокой технологичности. Сплав 1933 широко применен в самолете «Мрия» для изготовления крупногабаритных поковок и штамповок. Он перспективен для самолетов нового поколения. Совместно с О. Г. Сенаторовой разработаны композиции сверхпластичных высокопрочных сплавов (В95о.ч., 01987) для листовой сверхпластической формовки. Большие работы проведены О. Г. Сенаторовой по разработке органических сред для закалки алюминиевых сплавов — в целях снижения закалочных напряжений. Эта работа отмечена Государственной премией РФ. Значительным этапом в развитии высокопрочных сплавов явилась разработка в 1970 г. (совместно с Е. И. Кутайцевой и 3. Г. Филипповой при участии В. А. Лимарь) особо прочного сплава В96Ц-3 с повышенной технологической пластичностью и высокой прочностью. Сплав широко используется в виде штамповок сложных форм в ракетной технике. В настоящее время оптимизированная композиция сплава В96Ц-3 (сплав 1965-1), для термической обработки которого разработаны новые 200
АЛЮМИНИЕВЫЕ И МАГНИЕВЫЕ СПЛАВЫ, КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИМЫ варианты многоступенчатого старения (Т12), осваивается для применения в самолетных конструкциях (верх крыла и др.). Научно-производственные исследования выполняются совместно с О. Г. Сенаторовой, С.Ф. Легошиной, И. И. Молостовой. Для прессованных полуфабрикатов совместно с В. И. Исаевым, О. А. Носковой, Ю.А. Потаповым создан самый прочный, высоколегированный сплав В96Ц-1 с пределом прочности до 730 МПа. АЛЮМИНИЙЛИТИЕВЫЕ СПЛАВЫ Наиболее эффективным способом повышения удельной прочности сплавов и снижения массы конструкции является уменьшение плотности материалов. Первый сплав с литием ВАД23 системы А1—Си—Mn—Cd с пониженной на 5% плотностью и повышенным на 5% модулем упругости (по сравнению со сплавом Д16) был разработан в 1960 г. И. Н. Фрид- ляндером, 3. Н. Арчаковой, О. А. Романовой. Сплав используется для стабилизаторов ракет малой дальности. Высокая жаропрочность (до 250 °С) сплава позволила применить его в конструкции Ту-144. Из-за присутствия лития сплав ВАД23, как в последующем и все сплавы, легированные литием, оказался очень сложным в металлургическом производстве: в расплавленном состоянии быстро окислялся, имел повышенную склонность к насыщению водородом и образованию литейных трещин, что потребовало разработки специальных способов защиты при плавке и литье. Проведенный О. Е. Грушко комплекс работ (при участии В. А. За- сыпкина, А. Е. Семенова, Н. В. Ручьевой) позволил на существующем в промышленности оборудовании освоить плавку с использованием флюсов и отлить слитки непрерывным методом. Накопленный научный и экспериментальный опыт плавки и литья сплава ВАД23 явился основой дальнейшего успешного освоения новых алюминийлитиевых сплавов. Этапное значение в развитии Al-Li сплавов имело сделанное в 1965 г. И.Н. Фридляндером, В.Ф. Шамраем, Н.В. Ширяевой открытие эффекта упрочнения при термической обработке сплавов системы А1—Mg—Li в большой концентрационной области. На базе этой системы в 1968 г. коллективом сотрудников под руководством И.Н. Фридляндера был разработан не имеющий аналогов за рубежом самый легкий алюминиевый сплав 1420. Этот сплав обладает коррозионной стойкостью, хорошей свариваемостью, повышенным модулем упругости и достаточной статической прочностью. По поводу модуля упругости необходимо отметить, что литий поколебал незыблемую до этого, установленную ака- 201
■ИНН демиком Н.С. Курнаковым закономерность: модуль упругости сплава — есть среднее между модулями упругости элементов, входящих в сплав. У лития чрезвычайно низкий модуль упругости, а при его введении в алюминий он не снижает, а повышает модуль упругости сплава. В 1971 г. сплав 1420 применили в клепаной конструкции фюзеляжа самолета вертикального взлета Як-36, получив выигрыш в массе 16%. Благодаря тому что сплав 1420 сваривается всеми видами сварки, в 1980 г. он был рекомендован ОКБ им. А. И. Микояна для создания первого в мире сварного самолета МиГ-29. Работа проводилась большим коллективом под руководством И. Н. Фридляндера с участием специалистов многих лабораторий ВИАМ. Для обеспечения сварной конструкции полуфабрикатами из сплава 1420 с регламентированным содержанием водорода и натрия, на КУМЗ установлен принципиально новый плавильно-литей- ный агрегат, разработанный под руководством В. Г. Давыдова (ВИЛС). На этом агрегате под руководством О. Е. Грушко была разработана технология вакуумной обработки расплава для получения регламентированного содержания водорода и натрия (Л. А. Иванова, В. Г. Ковалев). Кроме того, для сварной конструкции была разработана технология получения штамповок с регламентированными степенями деформации и с охлаждением при закалке водо-воздушной смесью, что обеспечило гарантированный уровень свойств в трех направлениях (Л. М. Шевелева, А. Н. Грибков). Большие работы были проведены по получению прессованных панелей и профилей (О. А. Сетюков, В. М. Греков, Н. В. Ручье- ва), по улучшению качества листов (Н. И. Колобнев, Л. Б. Хохлатова, О. К. Колесенкова), по сварке (В. И. Лукин, Ю. П. Арбузов, Е. Н. Иода), исследованию свойств и структуры (С. И. Кишкина, И. П. Жегина, В. С. Сан- длер, Л. В. Тарасенко). В результате проведенных работ из сплава 1420 были изготовлены сварные, герметичные баки и кабина пилота для МиГ-29 и его модификаций, что позволило снизить массу сварных, герметичных отсеков на 24% и внедрить в производство прогрессивную технологию автоматической сварки (взамен клепки). Эта работа была продолжена на серийном заводе «Знамя труда». В ней активное участие принимал Е. Н. Каблов. На основе сплава 1420 И.Н. Фридляндером, Н.В. Ширяевой, Н. И. Туркиной и др. был разработан сплав 1421 с более высоким пределом текучести благодаря введению в него скандия. В виде штамповок этот сплав (наряду со сплавом 1420) широко используется для корпусов ракет ГРЦ «КБ им. академика В. П. Макеева», что дает снижение массы на 10—15%. Для изготовления стрингеров фюзеляжа (клепаные и 202
АЛЮМИНИЕВЫЕ И МАГНИЕВЫЕ СПЛАВЫ, КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ сварные конструкции) самолета Ан-124 разработана модификация сплава 1421 (И. Н. Фридляндер, О. А. Сетюков, Н. В. Ручьева). Другая модификация 1420 — сплав 1423 с пониженным содержанием магния и дополнительным легированием скандием был разработан в 1985—1986 гг. для изготовления листовых деталей сложной конфигурации методом сверхпластичной формовки. Листы из сплава 1423 с нерекристаллизо- ванной структурой имеют более высокие показатели сверхпластичности, чем листы с ультрамелкозернистой рекристаллизованной структурой из сплава 1420РС, изготовленные по специальной технологии (Н. И. Колобнев, Л. Б. Хохлатова, Е. Ю. Семенова и др.). На базе системы А1—Си—Li разработаны высокопрочные сплавы 1450 и 1451, характеризующиеся высокой прочностью при повышенных температурах и высокой коррозионной стойкостью (И.Н. Фридляндер, А. М. Дриц, Н. И. Колобнев, С. Н. Боровских, С. В. Самохвалов). В результате дополнительного легирования цирконием и скандием сплавов системы Al-Cu-Li был разработан (И. Н. Фридляндер, А. М. Дриц, Т. И. Крымова, Т. Г. Павловская) свариваемый сплав 1460 для сварных криогенных топливных баков космического и авиационного назначения. Из сплава 1460 на НПО «Энергия» (с участием И. П. Жегиной, С. А. Ка- римовой, В. И. Лукина под руководством И. Н. Фридляндера) были изготовлены сварные баки для жидкого кислорода диаметром до 4500 мм и высотой до 4000 мм. Для фирмы «Макдональд Дуглас» (США) изготовлены баки криогенного топлива ракеты «Дельта», предназначенной для вывода на космическую орбиту спутников мировой системы связи, при этом получено снижение массы на 35%. Летные испытания прошли успешно. В ГКНПЦ им. М. В. Хруничева предполагается использование сплава типа 1460 для изготовления сварных топливных баков для основных изделий новых модификаций. На базе системы А1—Li—Cu—Mg разработаны сплавы 1430, 1440, 1441 для планера самолетных конструкций длительного ресурса. По сравнению со сплавом Д16 они обладают более низкой плотностью (на 8%) и более высоким модулем упругости (на 10%). Сплав 1430 (И.Н. Фридляндер, Н.И. Колобнев, Л.Б. Хохлатова, СВ. Самохвалов и др.) имеет высокую вязкость разрушения и трещиностойкость, его повышенная технологическая пластичность позволяет получать рулонной прокаткой с промежуточными отжигами листы толщиной 1,5 мм и самолетные детали по принятой для Д16 технологии. Сплав рекомендован для обшивки и силового набора планера взамен сплавов 1163 и Д16, что обеспечит снижение массы конструкции на 8%. 203
Сплав 1441 (И. Н. Фридляндер, Л. Н. Лещинер, Л. В. Латушкина, Т.П. Федоренко, B.C. Сандлер и др.) — единственный алюминийлити- евый сплав, из которого получают тонкие листы рулонной прокаткой по технологии для сплава 1163 (типа Д16). Он характеризуется высокими показателями малоцикловой выносливости и трещиностойкости. Сплав 1441 успешно применен в виде листов и гнутых профилей в самолетах Бе-200 и Бе-103 ТАНТК им. Г. М. Бериева и принят в качестве основного материала для фюзеляжа самолета бизнес-класса КБ им. А. Н. Туполева. За комплекс работ «Сверхлегкие сплавы в авиакосмической технике» группе сотрудников институтов и заводов, в числе которых сотрудники ВИАМ И. Н. Фридляндер (руководитель работы), О. Е. Грушко, Е.Н. Каблов, Н.И. Колобнев, B.C. Сандлер, присуждена Государственная премия РФ за 1999 год. ЖАРОПРОЧНЫЕ ДЕФОРМИРУЕМЫЕ АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ Разработка жаропрочных деформируемых алюминиевых сплавов для авиастроения проводилась вначале в основном для деталей двигателей - как поршневых, так и реактивных (поршни, кольца, лопатки, диски, крыльчатки, колеса компрессора и др.). Для этой цели освоены в промышленности жаропрочные сплавы системы А1—Си—Mg—Fe—Ni марки АК4 и АК4-1. Успешному применению сплавов АК4 и АК4-1 способствовали фундаментальные исследования структуры и свойств и установление роли легирующих элементов железа, никеля и кремния, выполненные О. А. Романовой под руководством Л. П. Лужникова. Наиболее широкое применение для двигателей получил сплав АК4-1 благодаря более высоким технологическим свойствам. Рабочая температура деталей двигателей составила до 200—250 °С при ресурсе порядка 1000—2000 ч. Для работы при температурах до 300 °С Л. П. Лужниковым и О. А. Романовой был разработан жаропрочный сплав Д20 системы А1— Си—Мп, длительная прочность которого при 300 °С за 100 ч в 2 раза выше, чем у сплава АК4-1. Жаропрочный сплав ВД17 также заметно превосходит по жаропрочным характеристикам сплав АК4-1 при температурах свыше 200°С. Сварные соединения листов толщиной 3 мм из сплава Д20 показали удовлетворительную пластичность. Эти сплавы нашли применение в серийном производстве лопаток компрессора и в двигателестроении. 204
АЛЮМИНИЕВЫЕ И МАГНИЕВЫЕ СПЛАВЫ, КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В начале 1960-х годов возникла проблема создания сверхзвуковых пассажирских самолетов с длительным ресурсом (примерно 30000 ч) при эксплуатационных нагревах до 120-150°С. Решающим фактором в выборе алюминиевых деформируемых сплавов в качестве конструкционного материала явились высокие механические свойства при повышенных температурах, особенно жаропрочные характеристики. Наиболее перспективным жаропрочным сплавом для сверхзвуковых пассажирских самолетов Ту-144 оказался сплав АК4-1. Разработана технологическая документация на поставку полуфабрикатов сплава АК4-1 для самолетов Ту-144. В работе под руководством И. Н. Фридляндера принимали участие Е. И. Шилова, О. А. Романова, О. Г. Никитаева, В. Н. Бобовников, Г. К. Никишова и др. На базе сплава АК4-1 путем снижения содержания железа и никеля в 2 раза и введения циркония разработан новый жаропрочный алюминиевый деформируемый сплав АК4-2ч. (1143) с повышенными (на 20— 30%) характеристиками трещиностойкости при сохранении механических свойств и жаропрочности на уровне свойств сплава АК4-1 (О. А. Романова, В. Н. Бобовников, Н.Н. Аверкина, Г. К. Никишова и др.). Сплав АК4-2ч. рекомендуется к применению для нового поколения сверхзвуковых пассажирских самолетов, испытывающих эксплуатационные нагревы при температурах до 130—150 °С. На базе системы А1—Си—Мп разработан сплав Д21 (И. Н. Фридлян- дер, О. А. Романова, В. И. Добаткин, Н.Ф. Аношкин), высоколегированный (по содержанию меди) с небольшими добавками магния, для работы при температурах до 200 °С, отличающийся высокими значениями длительной прочности и сопротивления ползучести при 150—200 °С, а также повышенными характеристиками трещиностойкости (по сравнению со сплавом АК4-1). На базе сплава Д21 путем выбора оптимального содержания легирующих элементов и введения добавок тугоплавких элементов разработан более жаропрочный сплав Д25 (О. А. Романова, С.Ф. Данилов, В. В. Телешов, Е. Г. Якимова). Следующим направлением в развитии жаропрочных сплавов системы Al-Cu—Мп, высоколегированных (по меди), было введение малых добавок элементов, инициирующих процесс распада твердого раствора А1—Си при искусственном старении. Так, легирование малыми добавками магния, циркония позволило разработать высокопрочный и жаропрочный сплав 1215 (О.А. Романова, Н.Н. Аверкина, Т.К. Никишова), который превосходит сплав Д21 по прочностным свойствам (на 30—40 МПа) и жаропрочности (на 20—30%). 205
шшшш ШШШШШШШШ. Из жаропрочных сплавов системы А1—Си—Мп марок Д21, Д25, 1215 изготовляют все основные виды полуфабрикатов — прессованные, катаные (листы и плиты) и кованые. Новые жаропрочные сплавы Д25, 1215 могут быть применены для нового поколения сверхзвуковых пассажирских самолетов при рабочих температурах 150—170 °С с ресурсом до 60000 ч. На основе системы А1—Си—Мп разработан высокопрочный свариваемый алюминиевый сплав 01205 с небольшими добавками кадмия и циркония (О. А. Романова, Э.З. Непомнящая, И.Н. Фридляндер), а также освоен в производстве свариваемый жаропрочный сплав 1201. Сплавы 01205 и 1201 рекомендуется применять для сварных емкостей, баков и других подобных изделий как более прочные и жаропрочные, чем сплав АМгб, а также для криогенной техники. ЖАРОПРОЧНЫЕ СВАРИВАЕМЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ ДЕФОРМИРУЕМЫЕ АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ С появлением ракетно-космической техники возникла острая необходимость в свариваемых алюминиевых деформируемых сплавах. В 1950-х годах под руководством И.Н. Фридляндера группой сотрудников, возглавляемой Н. Б. Кондратьевой, был разработан ряд свариваемых сплавов системы А1—Mg (магналии): AMrl, АМг2, АМгЗ, АМг4, АМг5, АМгб, способных длительно работать при температурах до 70—100°С. Бурное развитие ракетно-космической техники привело к повышению рабочих температур и нагрузок и потребовало разработки жаропрочных свариваемых сплавов. Под руководством И. Н. Фридляндера Е. Ф. Чирковым совместно с КБ, металлургическими и машиностроительными заводами проведены исследования сплава М40, отработаны технология получения промышленных полуфабрикатов, сварки и изготовления различных сварных конструкций (отсеков) ракетно-космической техники. В результате сплав М40 был внедрен в изделие «Гранит» (НПО «Машиностроение»), которым в настоящее время оснащены крейсер «Петр Великий» и подводные корабли типа «Орел». За освоение сплава М40 и внедрение его в изделие «Гранит» в 1985 г. Е. Ф. Чирков был награжден орденом «Знак Почета». В 1960 г. группой сотрудников, возглавляемой Е. И. Шиловой, был разработан на основе системы А1—Си—Mg жаропрочный свариваемый сплав ВАД1. После проведения совместных работ с КБ им. С. А Лавочкина сплав был внедрен в одно из изделий (А-4) этого КБ. 206
АЛЮМИНИЕВЫЕ И МАГНИЕВЫЕ СПЛАВЫ, КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ По сравнению со сплавами системы А1—Mg свариваемые сплавы системы А1—Си—Mg имели преимущество: значительное повышение прочностных свойств и допустимого температурного предела эксплуатации, но уступали в свариваемости и технологичности. В сплавах системы А1—Си—Mg E. Ф. Чирковым установлены закономерности влияния на свойства сплавов содержания в них меди, магния и малых добавок некоторых переходных металлов, что позволило разработать ряд жаропрочных свариваемых сплавов нового поколения: 1150, 1151, 1153, 1177, обладающих хорошей свариваемостью, повышенными жаропрочными, коррозионными и технологическими свойствами. Наиболее полно исследован и опробован в опытных конструкциях сплав 1151. Применение сплава в конструкции МКБ «Радуга» взамен титановых сплавов и нержавеющей стали было отмечено в 1987 г. золотой медалью ВДНХ (Е.Ф. Чирков). ВЫСОКОРЕСУРСНЫЙ СПЛАВ 1163 ДЛЯ ШИРОКОФЮЗЕЛЯЖНЫХ САМОЛЕТОВ Ил-96-300 И Ту-204 Сплав Д16ч. — основной конструкционный материал для авиационной промышленности. Из него изготовляются все виды полуфабрикатов. Развитие принципа безопасно повреждаемых конструкций поставило задачу повышения характеристик надежности, особенно вязкости разрушения и сопротивления скорости роста усталостной трещины материалов. Одним из направлений эффективного повышения эксплуатационных свойств алюминиевых сплавов является снижение содержания железа и кремния. Анализ фазового состава сплава Д16 показал наличие большого количества избыточных растворимых, но не растворенных интерметаллид- ных фаз. Установлено, что снижение доли нерастворенных фаз до 2% приводит к заметному повышению характеристик вязкости разрушения и сопротивления МЦУ. Эти исследования привели к разработке сплава 1163 (Л.Н. Лещинер, Т.П. Федоренко, Л.В. Латушкина, В.Н. Бобовников, Л. П. Ланцова). Повышение вязкости разрушения сплава 1163 на 10—20% (по сравнению со сплавом Д16ч.) достигнуто за счет уменьшения количества нерастворимых избыточных фаз в сплаве в результате снижения допустимого содержания примесей железа и кремния, а также ограничения верхнего предела содержания легирующих элементов: меди и магния. 207
ГЛАВА 8 Из сплава 1163 освоены и внедрены в широкофюзеляжные самолеты Ил-96-300 и Ту-204 длинномерные (до 30 м) плиты для нижней обшивки крыла (Л. Н. Лещинер, Т. П. Федоренко) и листы с алюминиевой и твердой регламентированной плакировкой (В.Н. Бобовников, Л. П. Ланцова, М. Н. Дмитриева) для обшивки фюзеляжа. Изучение сплавов системы А1—Mg—Si—Си привело к созданию свариваемого коррозионностойкого сплава АД37, который отличается от известных сплавов этой системы (АВ, АД31, АДЗЗ и АД35) более высокими прочностными свойствами при растяжении и сжатии, повышенными характеристиками трещиностойкости и отсутствием склонности к межкристаллитной коррозии. Сплав АД37 по ресурсным характеристикам близок к сплавам 1163-Т и Д16ч.-Т, но превосходит их по коррозионной стойкости. Кроме того, сплав АД37 характеризуется высокой технологичностью в металлургическом и машиностроительном производстве. В этих работах принимали активное участие И. Н. Фридляндер, Н.И. Колобнев, Л.Б. Хохлатова, СВ. Самохвалов, O.K. Колесенкова, С. А. Каримова и др. (совместно с сотрудниками ВИЛ С). Сплав рекомендован для обшивки и силового набора для замены сплава 1163-Т, что обеспечит повышение коррозионной стойкости и надежность в эксплуатации, особенно в морских и тропических условиях. Производство полуфабрикатов (листы, плиты, прессованные профили и панели, штамповки) возможно на ОАО «КУМЗ» и других металлургических заводах. Новым классом композиционных материалов конструкционного назначения являются слоистые алюмостеклопластики — СИАЛы, разработанные в 1990-х годах совместно с Л. И. Аниховской, О. Г. Сенаторовой, В. В. Си- дельниковым, Л. А. Дементьевой. СИАЛы, состоящие из тонких алюминиевых листов и прослоек высокопрочного стеклопластика, отличаются чрезвычайно высокой трещиностойкостью (d2l/dN< 0,3 мм/кцикл), прочностью (ов = 600—1200 МПа) и пониженной плотностью (d ~ 2,5 г/см3). Созданные композиции (СИАЛ1, СИАЛ2, СИАЛЗ) различаются структурой армирования, которая выбирается в зависимости от условий эксплуатации элементов различного назначения, и предназначены для замены монолитных алюминиевых листов из сплавов Д16ч., 1163, В95п.ч. в обшивках фюзеляжа, крыла и внутреннего набора, а также для ремонта поврежденных конструкций в качестве стоппера трещин. Композиционный материал КАС (И. Н. Фридляндер, А. С. Бубенщи- ков, Е.Л. Володин) представляет собой «слоеный пирог», состоящий из тонких листов алюминиевых сплавов В95, 1163 или 1441 и анизотроп- 208
АЛЮМИНИЕВЫЕ И МАГНИЕВЫЕ СПЛАВЫ, КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ной сетки из проволоки высокопрочной стали ВНС-9 с прочностью от 3200 МПа (при диаметре проволоки 0,15 мм) до 4800 МПа (при диаметре проволоки 0,05 мм). Стальная проволока обладает высокой пластичностью, поэтому КАС можно производить различными технологическими методами — прокаткой, прессованием, взрывом. Регулируя направление укладки сеток, можно получить изотропный материал или материал с максимальной прочностью в долевом направлении. КАС отличается крайне малой скоростью роста усталостных трещин - в 1000 раз меньшей, чем у лучших алюминиевых сплавов. ЛИТЕЙНЫЕ АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ Основные области (и объем) применения литейных алюминиевых сплавов — самолетостроение, автомобилестроение, электромашиностроение, бытовая техника. Особые требования к надежности узлов и деталей в самолетостроении предполагают применение высококачественных, надежных в эксплуатации деталей, изготовленных из литых заготовок из алюминиевых сплавов повышенной чистоты. Ниже рассмотрены примеры применения литых заготовок в самолетостроении и приведены свойства новых литейных алюминиевых сплавов в сравнении с зарубежными аналогами. В конструкциях современных самолетов применяется от 250 до 2000 наименований алюминиевых отливок из литейных алюминиевых сплавов четырех основных типов: технологичные, высокопрочные, жаропрочные, коррозионностойкие. Литые заготовки (отливки) из высокопрочных сплавов применяются для деталей внутреннего набора фюзеляжа самолета, в мотогондолах, крыле, системах управления и т.д. Отливки из высокопрочных сплавов в ряде случаев заменяют алюминиевые штамповки. Отливки из жаропрочных литейных алюминиевых сплавов применяются для изготовления деталей, работающих в мотогондолах вблизи двигателя, в системах воздухоотбора, где температуры могут постоянно или временно достигать 250—350 °С. Коррозионностойкие литейные алюминиевые сплавы имеют достаточно высокий уровень свойств: прочности, пластичности, ударной вязкости, усталостных характеристик, свариваемости и, главное, обладают коррозионной стойкостью, позволяющей применять их в конструкциях гидропланов, работающих в условиях обливания морской водой и воздействия морского тумана. 14 - 5961 209
ГЛАВА 8 *g> a» >jg»> <► Для изготовления корпусного агрегатного литья применяются высокопрочные литейные алюминиевые сплавы с улучшенными технологическими характеристиками. Технологичные сплавы Большую группу высокотехнологичных сплавов, предназначенных для изготовления отливок различными видами литья, составляют сплавы на основе системы А1—Si. Химический состав и механические свойства некоторых сплавов приведены в табл. 1. Таблица 1 Химический состав и механические свойства технологичных сплавов Содержание элементов, % (по массе); AI — основа Сплав АЛ9-1 АЛ5-1 АЛ9М В124 Si 7,0-8,0 4,5-5,5 7,2-8,8 8,0-11,0 Mg 0,25-0,40 0,40-0,55 0,4-0,7 0,15-0,35 Ti 0,08-0,15 0,08-0,15 0,1-0,2 0,1-0,3 Си - 1,0-1,5 0,5-0,8 3,0-4,0 Mn - - - 0,1-0,3 Fe не более 0,30 0,30 0,35 0,3 МПа 320 320 335 400 % 4 6 2 2 Высокопрочные сплавы В отечественной и мировой практике самолетостроения широко применяются сплавы на основе системы А1—Си: например, 201 и 206 (США); ВАЛЮ и ВАЛИ (отечественные). Детали из сплавов на основе этой системы получают в основном литьем в песчаные формы. Таблица 2 Химический состав и механические свойства высокопрочных сплавов Содержание элементов, % (по массе); А1 - основа 8, Сплав ВАЛЮ ВАЛ14 ВАЛ12 Си 4,5- 4,9 4,5- 5,0 1,0- 1,5 Мп 0,35- 0,80 0,50- 0,90 *•"* Ti Zn 0,15- - 0,35 0,15- - 0,35 0,10- 6,5- 0,20 7,5 Mg £0,05 <0,05 2,0- 2,8 Cd 0,07- 0,25 0,04- 0,12 ~~ Zr - 0,05- 0,25 0,10- 0,20 Fe Si не более 0,15 0,20 0,15 0,20 0,30 0,20 МПа 420 460 550 % 7 10 3 210
АЛЮМИНИЕВЫЕ И МАГНИЕВЫЕ СПЛАВЫ, КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ Высокопрочные сплавы на основе системы А1—Zn—Mg (например, ВАЛ 12) предназначены для изготовления отливок литьем в металлические формы. Химический состав и механические свойства высокопрочных литейных алюминиевых сплавов приведены в табл. 2. Жаропрочные сплавы Для получения литых деталей, работающих при температурах 250— 400°С, в отечественной и зарубежной практике применяют специальные высоколегированные литейные сплавы. Эти сплавы разрабатывались на основе системы А1—Си—Ni (табл. 3 и 4). Таблица 3 Химический состав и механические свойства жаропрочных сплавов Сплав АЛЗЗ ВАЛ18 Содержание Си 5,5- 6,2 4,9- 5,5 Ni 0,8- 1,2 0,6- 1,0 элементов, % (по массе); А1 - основа Мп 0,6- 1,0 0,6- 1,0 Ti - 0,20- 0,35 Zr ^ Mg Fe Si не более 0,05- 0,15- 0,05 0,30 0,30 0,20 0,30 0,05- - 0,05 0,30 0,30 0,35 св, б, МПа % 280 2 300 2 Сштв АЛЗЗ ВАШ8 Таблица 4 Жаропрочность сплавов системы Al-Cu-Ni 0В, МПа, при гемпературе, °С 350 400 450 100 125 90 60 0fof МПа 25 Коррозионностойкие сплавы Сплавы системы Al-Mg обладают наиболее высокой коррозионной стойкостью по сравнению с другими алюминиевыми сплавами. Из сплавов этой системы в настоящее время в отечественной практике применяется сплав ВАЛ 16 (табл. 5). Сплав ВАЛ 16 может использоваться в сварных конструкциях литых и литодеформированных деталей, работающих в сложных условиях на- гружения, при длительной эксплуатации в агрессивных средах. 14* 211
ГЛАВА 8 ««■»> ЭВ» >J^> *$> Таблица 5 Химический состав и механические свойства коррозионностойкого сплава ВАЛ 16 Содержание элементов, % {по массе); А1 - основа <*в <*02 Fe Si ' * Mg Be Zt Ti Mn Cr Л МПа % не более 7,5-8,5 0,10-0,15 0,10-0,15 0,10-0,20 0,15-0,20 0,15-0,25 0,25 0,20 260 160 6 Дальнейшее повышение потребительских характеристик литейных алюминиевых сплавов возможно при совершенствовании технологических процессов производства литых деталей, включая плавку, обработку жидкого металла, термическую обработку отливок. Технологические и эксплуатационные возможности литейных алюминиевых сплавов показывают их большую перспективность в качестве конструкционных материалов для многих отраслей машиностроительного комплекса. ЛИТЕЙНЫЕ МАГНИЕВЫЕ СПЛАВЫ Разработка новых видов техники, увеличение радиуса действия, необходимость повышения весовой отдачи изделий потребовали разработки новых литейных магниевых сплавов, имеющих более высокие характеристики жаропрочности, прочности и коррозионной стойкости при температурах эксплуатации от -253 до +(350-400) °С с сохранением минимальной массы работающих деталей. Коррозионностойкие сплавы системы Mg-Al-Zn: сплав МЛ5п.ч. и новый сплав ВМЛ18 - предназначены для работы при температурах до 150°С во всеклиматических условиях. Новым требованиям отвечают сплавы системы Mg-Zr с добавками цинка, неодима, лантана, индия, иттрия. Присутствие циркония в магниевых сплавах обеспечивает: значительное измельчение зерна; связывание и выведение из расплава вредных примесей железа, кремния, никеля, водорода; получение высоких однородных механических свойств; высокую герметичность отливок. В ВИАМ разработаны литейные высокопрочные сплавы с цирконием — МЛ8, МЛ12, МЛ15 (табл. 6); литейные жаропрочные сплавы МЛ9, МЛ10, МЛ19, ВМЛ14, ВМЛ17. Большой интерес представляют жаропрочные магниевые сплавы МЛ19, ВМЛ14, ВМЛ17 на основе системы Mg-Nd-Y-Zr с добавками, предназ- 212
АЛЮМИНИЕВЫЕ И МАГНИЕВЫЕ СПЛАВЫ, КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИМЫ Таблица 6 Механические свойства высокопрочных литейных сплавов с цирконием Сплав ов <Tq 2 Nffla МЛ8-Т6 270 190 МЛ12-Т1 230 130 МЛ15-Т1 220 140 ZK61(CIIIA) 260 160 наченные для длительной эксплуатации при температурах 300—350 °С и кратковременной — при 400 °С. Сплавы обладают удачным сочетанием высоких механических свойств при комнатной и повышенных температурах (табл. 7) с хорошими литейными и коррозионными свойствами. Таблица 7 Свойства жаропрочных литейных магниевых сплавов Механические свойства, МПа, при температуре, °С 20 250 300 350 <** 230 220 270 300 255 340 °0Д 140 120 165 200 185 230 °» 170 200 260 275 225 170 %г 125 115 130 195 - 115 °в 135 150 190 200 160 120 °0,2 ПО 60 70 185 - 65 <*в - ПО 150 165 - 75 °0,2 _ 25 35 135 - 35 Повышение уровня надежности и эксплуатационных характеристик магниевых сплавов достигается оптимизацией существующей литейной технологии и созданием новых способов обработки расплава, обеспечивающих равномерность химического и фазового составов, мелкозернистое строение литой структуры, отсутствие ликвационных явлений, повышение чистоты по металлическим примесям и неметаллическим включениям. С целью максимального использования возможностей сплавов разработан ресурсосберегающий процесс плавки и литья магниевых сплавов без применения флюсов, в защитных газовых средах. Процесс позволяет повысить качество литья, улучшить условия труда, снизить загрязнение окружающей среды. % МПа 5 180 85 5 160 80 4 145 105 5 Удельная прочность, ajdf усл. ед.(км) 15 12,9 11 13 Сплав, режим термообработки Рабочая температура (длительно), °С МЛ10-Т6 250 МЛ19-Т6 300 ВМЛ14-Т61 325 ВМЛ17-Т61 350 WE54 (Англия) 300 АЛ9-Т5 300 213
ГЛАВА 8 «■»> %>■ >.j5»> #g> ДЕФОРМИРУЕМЫЕ МАГНИЕВЫЕ СПЛАВЫ Сплавы на основе магния благодаря своим физико-механическим характеристикам (высокая удельная прочность и удельная жесткость при изгибе и кручении) являются конструкционными материалами, применение которых дает большую весовую отдачу. Усовершенствованные методы защиты магниевых сплавов неорганическими пленками и лакокрасочными покрытиями обеспечивают устойчивую работу деталей из этих сплавов в различных климатических условиях. Деформируемые магниевые сплавы нашли применение в основном в авиакосмической технике и ракетостроении (детали управления, кресел самолетов, посадочные устройства, фюзеляжи ракет и т.п.). Отечественные космические программы выполнялись с использованием деформируемых магниевых сплавов в конструкциях космических аппаратов «Восход», «Восток», «Космос», «Союз», «Луна», «Венера», «Марс». Деформируемые магниевые сплавы можно разделить на несколько групп в зависимости от основных физико-механических характеристик и условий применения. Ультралегкие сплавы МА18 и МА21 относятся к сплавам, содержащим литий в качестве основного легирующего элемента. Сплавы оригинальны по композиции, по прочностным характеристикам превосходят американские сплавы Lal41 и LaZ933. Данные табл. 8 показывают, что по удельным характеристикам магний-литиевые сплавы близки деформируемому алюминиевому сплаву средней прочности АК6, а в ряде случаев превосходят его. Таблица 8 Свойства сплавов системы Mg-Li и алюминиевого ковочного сплава АК6 (прессованные полуфабрикаты) Сплав МА21 MA1S Ш41 (США) UZ933 (США) АК6 214 Основа Магний -^<<— —«Е— ' — «— Алюминий Плотность d, кг/м3 1600 1500 1360 1560 2750 oB/d 14,4 13,3 8,8 11,5 13,5 а0,2сжА* усл.ед. (км) 11,3 9,4 7,4 8,9 9,1 E/d 2875 3000 3000 2800 2509
АЛЮМИНИЕВЫЕ И МАГНИЕВЫЕ СПЛАВЫ, КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ К перспективным разработкам относятся высокопрочные и одновременно жаропрочные свариваемые магниевые сплавы системы Mg—Y— Zn: сплавы МА22 (ВМД10) и ВМД10-1. Детали из этих сплавов предназначены для длительной эксплуатации до 200 °С и кратковременно — до 250°С. По совокупности основных показателей: высоким прочностным характеристикам при растяжении и сжатии в интервале -70 °С -*-+250°С, малой анизотропии механических свойств (<15%), хорошей свариваемости - сплав МА22 превосходит отечественные (МА5, МА12, МАИ) и зарубежные (ZK60A, ZCM711, НМ31, AZ60A) высокопрочные и жаропрочные магниевые деформируемые сплавы. Сплав технологичен. В частности, из него могут быть изготовлены прессованные, штампованные и кованые полуфабрикаты (последние — массой до 100 кг) со стабильным уровнем свойств (ав = 320—360 МПа, 8 = 6%, авсв = 270—300 МПа), предназначенные для высоконагружен- ных сварных и несварных конструкций. Для защиты от коррозии деталей из этого сплава разработаны и применяются эффективные системы лакокрасочных покрытий. По мере освоения гранульной технологии, сотрудниками ВИАМ и ВИЛС были разработаны, а в ВИАМ паспортизированы модификации серийных сплавов МА2-1гр и МА14гр с повышенным уровнем свойств. Гранулированные сплавы составляют особую группу деформируемых сплавов на основе магния. ПОРОШКОВЫЕ СПЛАВЫ Алюминий, упрочненный частицами оксида алюминия (САП) Материалы САП разработаны И. Н. Фридляндером, Б. И. Матвеевым, М.Г. Степановой, Н. И. Колобневым. Сплав получают методом холодного, а затем и горячего брикетирования тонкого окисленного алюминиевого порошка (пудры) и последующей деформации (ковка, прессование, прокатка) горячепрессованных брикетов. Для изготовления САП используются четыре сорта пудры АПС (алюминиевая пудра для спекания). Пудру АПС получают размолом в шаровой мельнице порошка, приготовленного распылением жидкого алюминия в атмосфере азота с регулируемым содержанием кислорода. При нагреве материала до 700 °С имеются два температурных участка интенсивного газовыделения: при 370—420 °С и 580—620 °С. Первый макси- 215
ГЛАВА 8 «*0» Зв» >^> *8> мум газовыделения связан с разложением стеариновой кислоты, второй — гидроксида алюминия с отделением двух молекул воды, при взаимодействии которых с алюминием выделяется водород. В результате нагрева пудры при 600-680 °С пластичность брикета резко возрастает (относительное удлинение повышается с 0,2 до 5%), прочность несколько уменьшается. Брикетирование может быть холодным (при комнатной температуре) или горячим. Холодное брикетирование осуществляется на гидростатических установках при давлении до 150 МПа. При производстве полуфабрикатов из сплава САП, для которого применяется пудра марки АПС с дисперсностью частиц от 5 до 500 мкм, сквозная пористость холодных брикетов, необходимая для дегазации, достигается при давлении в гидростате 108 —2 • 108 Па. Холодные брикеты, имеющие малую прочность и плотность, подвергаются горячему уплотнению на гидравлических прессах при температурах до 620 °С и давлении до 700 МПа. Заготовки, полученные из нагретых непосредственно на гидравлическом прессе порошков (режим спекания: температура до 620 °С, давление до 700 МПа), характеризуются высокими механическими свойствами (табл. 9). Из САП изготовляют листы, прессованные полуфабрикаты, поковки, штамповки, трубы, проволоку, фольгу. Штамповки можно получить непосредственно из брикета, исключая операцию прессования прутка. Таблица 9 Механические свойства САП Материал а°>2 0* 6, % МПа САП1 (7% А1203) 250 300 9 САП2 (10% А!203) 300 350 7 САПЗ (15% АЕ2Оэ) 320 400 5 Материал САП характеризуется высокой коррозионной стойкостью, практически равной коррозионной стойкости чистого алюминия, и не склонен к межкристаллитной коррозии и коррозионному растрескиванию под напряжением. При нагреве до 420—470 °С штампуемость листов из САП значительно повышается и достигает штампуемости листов из алюминиевых сплавов АМц, АВ, Д16 и других в холодном состоянии. 216
АЛЮМИНИЕВЫЕ И МАГНИЕВЫЕ СПЛАВЫ, КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ САП — одни из наиболее жаропрочных алюминиевых материалов для создания самых разнообразных конструкций (рабочая температура 250—500 °С), от которых требуется высокая коррозионная стойкость. Сплав СПАК-4 системы Al-Cu-Mg-Al203 В порошковом сплаве СПАК-4 (И.Н. Фридляндер, Б.И. Матвеев) впервые использован комбинированный метод упрочнения алюминиевой матрицы дисперсными частицами оксидной фазы (А1203), частицами метастабильных фаз системы А1—Си—Mg и частицами стабильной фазы Al9FeNi. Свойства этого сплава при кратковременных испытаниях при температурах до 150—200 °С определяются в основном упрочнением, происходящим в результате распада пересыщенного твердого раствора меди и магния в алюминии. Мелкодисперсные частицы А1203, которые остаются стабильными при нагреве до температур, близких к точке плавления алюминия, повышают прочность сплава при высоких температурах. Длительная прочность прутков из порошкового сплава СПАК-4 значительно выше, чем у прутков из слитка аналогичного состава. Эффекты закалки и естественного старения прутков из сплава СПАК-4 и из слитка сплава АК4-1 примерно одинаковы. Порошковый сплав СПАК-4 благодаря высоким прочностным характеристикам при комнатной температуре и высокой длительной прочности при 350 °С (в 2—2,5 раза выше, чем у сплава АК4-1) является наилучшим материалом для поршней двигателей, длительно работающих на форсированных режимах. Сплав системы А1-А14С3 Алюминий и его сплавы, дисперсноупрочненные карбидом алюминия (А14С3), получены методом механического легирования в процессе интенсивного перемешивания и помола порошка с сажей в аттриторах (И.Н. Фридляндер, Б.И. Матвеев, B.C. Сандлер). Аттритор представляет собой вертикальную мельницу с водоохлаждаемым корпусом, в которую загружают шары и смесь исходных порошков. Импеллер мельницы вращается с высокими скоростями, при этом происходит внедрение в порошок алюминия мелких частиц сажи. Одновременно с этим процессом идет укрупнение частиц порошка и снова размол. Рентгеновское и электронно-микроскопическое исследования показали, что в порошке углерод находится в виде сажи. При нагреве порошка (500 °С, 2 ч) сажа превращается в пластинчатые частицы карбида 217
ГЛАВА 8 ^>3S»,>^>^ Таблица 10 Механические свойства сплавов системы А1-А14С3 Содержание углерода, ав> МПа> ПРИ температуре, °С 0 % (по массе) 20 400 6 ' % 1,0 265 110 5,0 2,0 325 130 3,4 3,0 430 150 2,3 алюминия размером до 700 мкм. Сплав может применяться в греющихся изделиях (табл. 10). Высокопрочный сплав ПВ90 системы Al-Zn-Mg-Cu Порошковый метод высокоскоростной кристаллизации значительно расширяет возможности управления структурой и свойствами сплавов системы А1—Zn—Mg—Си. С удовлетворительным сочетанием высокой прочности и достаточной пластичности получены порошковые сплавы состава, % (по массе): (7-9)Zn; (2-3)Mg; (l-2)Cu; <1 Mn; <1 Fe; <0,3 Zr (либо <1,5 Со) с небольшими добавками других переходных металлов. Степень дегазации исходных порошков - решающий фактор получения высоких показателей пластичности и вязкости разрушения порошковых сплавов системы А1—Zn—Mg—Си. Лучшая дегазация достигается вакуумированием. При этом относительное удлинение полуфабрикатов повышается в 1,5—2 раза. Отечественный промышленный порошковый сплав ПВ90, созданный также на базе системы А1—Zn—Mg—Си, превосходит по прочности все существующие серийные алюминиевые сплавы (И.Н. Фридляндер, Р. А. Кривенко, А. С. Соколов). Структура полуфабрикатов мелкозернистая, однородная с равномерным распределением высокодисперсных частиц интерметаллических фаз. Дополнительное легирование сплава ПВ90 переходными металлами, суммарное содержание которых составляет примерно 2%, обеспечивает структурную стабильность при технологических нагревах, оптимальный уровень механических и коррозионных свойств, хорошую прокаливаемость, пониженную анизотропию свойств. Высокие прочностные и антифрикционные свойства порошкового сплава ПВ90 сочетаются с высокой стабильностью размеров при значительно более низкой релаксационной стойкости, чем у высокопрочных 218
АЛЮМИНИЕВЫЕ И МАГНИЕВЫЕ СПЛАВЫ, КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ алюминиевых сплавов, полученных традиционным методом деформирования слитка. Механические свойства различных полуфабрикатов из сплава ПВ90 находятся на уровне: ав = 700-800 МПа, а0 2 = 650-750 МПа, 8=6-10%. Сплав ПВ90 хорошо обрабатывается резанием и полируется. Это особенно важно для таких деталей, как оптические зеркала. Шлифованием и последующим полированием чистоту поверхности можно значительно повысить, т.е. изготовлять детали с очень малой шероховатостью поверхности. Сплав ПВ90 с высокой размерной стабильностью является перспективным материалом для зеркал, узлов трения и других ответственных деталей высокоточных приборов. Сплавы с низким температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР) системы Al-Si-Ni Снижению ТКЛР способствует повышение содержания кремния. При обычных методах литья кремний, введенный в алюминий в больших количествах (более 15%), сильно ликвирует и образует грубые первичные выделения, которые сильно охрупчивают сплав и снижают его механические и технологические свойства. Несмотря на применение разнообразных методов модифицирования для измельчения грубой кремниевой составляющей, до настоящего времени не удается приготовить традиционными методами высококремнистые сплавы, отвечающие по качеству и свойствам всем необходимым требованиям. Методы порошковой металлургии благодаря сверхвысоким скоростям кристаллизации позволили получить равномерное тонкодисперсное распределение составляющих в сплавах САС1-400 и САС1-50 и, следовательно, очень низкие ТКЛР ( И. Н. Фридляндер, Н.С. Клягина, Г. Д. Горде- ева, Р. А. Кривенко, А. А. Колпачев). Порошки сплавов получают методом пульверизации жидкого расплава при высоких скоростях охлаждения и высоких температурах (порядка 1000 °С), что обеспечивает наибольшую дисперсность и равномерность распределения составляющих в сплаве. Во избежание растворения расплавом деталей распылительных установок, их изготовляют из специальных материалов (талькохлорида, силицированного графита и т.п.). Порошки сплавов САС 1-400 и САС 1-50 компактируют на гидростате давлением 108 и 3 • 108 МПа соответственно. Брикеты прессуют в полуфабрикаты на гидравлических прессах с предварительным нагревом в электропечах при 520—550 °С. 219
ГЛАВА 8 Из сплавов САС1-400 и САС1-50 изготовляют прессованные прутки диаметром до 180 мм, штамповки диаметром до 300 мм и трубы размером до 80x20 мм. Сплавы САС 1-400 и САС 1-50 (дисперсность порошка < 400 и < 50 мкм соответственно) содержат (25—30) % Si и (5-7) % Ni, характеризуются примерно одинаковым ТКЛР (а*106 = 14,5—15,5 1/К) и имеют следующие характеристики прочности и пластичности: Сплав ав, МПа 6, % CAC1-4G0 ♦.,„.. 260-280 2-4 САС1-50 340-360 2-4 Эти сплавы нашли широкое применение в приборостроении, они могут работать в паре с высоколегированными сталями из-за низкого коэффициента линейного расширения, что важно, например, для гироскопов. Сплавы обладают высоким модулем упругости (на 20—30% выше, чем у стандартных алюминиевых сплавов), повышенными антифрикционными свойствами и не склонны к коррозионному растрескиванию и межкристаллитной коррозии. УДК 620.193.2 А.Д. Жирное, Э.К.Кондратов ПРОТИВОКОРРОЗИОННАЯ ЗАЩИТА МАТЕРИАЛОВ И ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ПАССАЖИРСКИХ САМОЛЕТОВ* Защита от коррозии современных самолетов составляет сложную комплексную задачу, решение которой играет первостепенную роль в обеспечении надежности изделий при длительной эксплуатации, особенно в районах морского и тропического климата. Трудность решения этой задачи определяется применением в летательном аппарате огромного количества разнообразных сплавов со специальными конструкционными свойствами, сложностью конструкции, многообразием влияющих на коррозионную стойкость внешних факторов (в первую очередь нагрузок и нагревов) и климатических условий. В работе принимали участие: С. А. Каримова, Т. Г. Павловская, Г. И. Спирякина, Е. В. Пласкеев, Л. И. Прибылова, В. Н. Владимирский, М.Г. Офицерова. 220
АЛЮМИНИЕВЫЕ И МАГНИЕВЫЕ СПЛАВЫ, КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ Принцип комплексной противокоррозионной защиты состоит в том, что она рассматривается как неотъемлемый элемент технологических процессов — от стадии изготовления материала до выпуска готового изделия — и включает в себя набор мероприятий в процессе эксплуатации, а также оценку технологии ремонта с учетом обеспечения коррозионной стойкости. Достижение высокой коррозионной стойкости изделий обеспечивается выбором и разработкой материала, установлением оптимальной структуры сплавов, разработкой технологических процессов для обеспечения коррозионной стойкости на всех этапах создания материала, детали, конструкции. ВИАМ дает основанные на научной проработке развернутые данные по коррозии и средствам защиты для выбора конструктором материала и метода защиты. Перечень выбранных материалов перерабатывается конструктором в детальную спецификацию изделия, в которой рассматриваются условия работы материала, назначается метод защиты, устанавливаются защитные, защитно-функциональные и защитно-декоративные покрытия. Выбор высокопрочных сплавов по параметрам конструкционной прочности может противоречить требованиям коррозионной стойкости. В этом случае принимается компромиссное решение. Ради обеспечения высокой коррозионной стойкости приходится идти на некоторое снижение механических свойств, применяя смягчающие режимы старения. Необходимость исключения зазоров и щелей, в которых идет накопление влаги и которые в ряде случаев являются местами усиленной коррозии, побудила к разработке специальных технологических способов и приемов при сборке изделий. В современном самолете используется большое количество неметаллических материалов, которые могут вызвать поражения металла. Поэтому в оценку неметалла входит характеристика коррозионной активности. Сопряжение в конструкции металлов с некоторыми неметаллическими материалами приводит к образованию опасных контактных пар, где металл, будучи анодом, подвергается усиленной коррозии, — например, контакт алюминиевых сплавов с углепластиком. В этом случае защита осуществляется разделением контактных пар изолирующими прокладками в сочетании с защитными покрытиями. В ряде случаев при неизбежности таких контактов выбирается металл с высокой коррозионной стойкостью. Например, клепка углепластиков проводится заклепками только из титановых сплавов и коррозионностойких сталей. 221
ГЛАВА 8 '*Ю»Д>» <jjj> 2> JS^"J^^ Для обеспечения противокоррозионной защиты и сохранения декоративных свойств в течение длительных сроков эксплуатации авиационных агрегатов различного назначения были разработаны оригинальные системы лакокрасочных покрытий. Созданы грунтовки и эмали для защиты внешней и внутренней поверхностей самолета, кессон-баков и агрегатов. Большую роль в надежной защите изделий от коррозии сыграла разработка и внедрение способов дополнительной профилактической обработки. В результате исследований выбраны и реализованы на практике специальные солевытесняющие составы, имеющие высокие защитные свойства. Таким образом, высокая коррозионная стойкость самолета в целом, являющаяся одним из элементов его надежной эксплуатации, достигается сложным взаимодействием мер защиты на всех этапах создания и эксплуатации авиационной конструкции, в совокупности составляющих комплексную защиту самолета. КОНСТРУКТИВНАЯ ПРИСПОСОБЛЕННОСТЬ САМОЛЕТОВ К ПРОТИВОКОРРОЗИОННОЙ ЗАЩИТЕ Под конструктивной приспособленностью к противокоррозионной защите понимается комплек