Области использования интерметаллидов и сплавов на их основе чрезвычайно широкие из-за большого разнообразия их свойств. К этим материалам относятся сплавы с особыми физическими и химическими свойствами. Жаропрочные алюминиды и сплавы на их основе представляют значительный интерес для авиационной и аэрокосмической техники вследствие высокой стабильности, жаропрочности и жаростойкости. Так, в частности, сплавы на основе алюминида титана (Ti₃Al) используют для изготовления уплотнений сопел форсажной камеры двигателя (авиационного), сотовых конструкций сверхзвуковых самолетов, а также других деталей [11-18].

Сплавы на основе TiAl считают перспективными материалами для изготовления опор трубопроводов, уплотнителей кожуха, статора компрессора, воздушных фильтров камеры низкого давления, деталей сопла, лопаток компрессора, корпуса турбины авиационных двигателей. Сплавы на основе TiAl могут быть использованы для изготовления элементов обшивки космических аппаратов и элементов теплозащитных систем сверхзвуковых самолетов. Интерметаллид TiAl предполагается использовать для изготовления выхлопных клапанов, деталей турбокомпрессоров и других элементов двигателей автомобилей вместо жаропрочных нержавеющих сталей и никелевых сплавов [13].

Сплавы на основе алюминидов никеля могут быть использованы в качестве конструкционных литейных материалов для изготовления деталей машин, работающих длительное время при повышенных температурах в окислительных средах, причем, для обеспечения их работоспособности в этих условиях не требуется специальной защиты. Использование этих сплавов в промышленности позволит существенно повысить срок службы и эксплуатационную надежность деталей, уменьшить их вес. Новые сплавы на основе Ni₃Al предназначены для работы при повышенных температурах в среде активных газов и жидкостей. Из них, в частности, могут изготавливаться поршни, вентили, роторы в машиностроении, нагревательные трубы.

Интерметаллидных соединения и сплавы на их основе являются перспективными конструкционными материалами для работы при высоких температурах. Считается, что использование интерметаллических соединений может открыть новую эру в создании двигателей для аэрокосмической техники и развития других отраслей промышленности.

Сплавы с эффектом памяти формы используются в тех случаях, когда конструкцию или элемент сложно, или вовсе невозможно изготовить стандартными способами. Например, установка защелок в соединение, к которому нет подхода с внутренней стороны. В этом случае крючок с двумя головками охлаждают до температуры ниже Мк и замыкающую головку деформацией превращают в цилиндр, равный по диаметру стержню защелки. Стержень вставляют в отверстие соединения защелки и после нагрева до температур выше Ак конец стержня превращается снова в замыкающую головку.

Сплавы типа "нитинол" используют для изготовления муфт соединения и уплотнений трубопроводов в сложно доступных для монтажа местах, в частности, при изготовление авиационной техники. Такие муфты для увеличения их диаметра деформируют в жидком азоте и в охлажденном вида свободно насаживают на место стыка. После нагрева до комнатной температуры муфта восстанавливает свою форму и обеспечивает плотное и прочное соединение труб.

Для космической техники большой интерес представляют устройства большой длины, саморозгортаються, типа антенн. Изделию придают форму, которая требуется при эксплуатации, затем его сворачивают (деформируют) при комнатной температуре, чтобы можно было транспортировать в компактном виде. После доставки на место назначения свернутый изделие отогревается результате подогрева на солнце и принимает форму, требуется.

Кроме указанных, было предложено много различных других областей использования сплавов с ЕЗФ: биологические имплантанты, новые материалы в стоматологии, пружины различного назначения, тепловые двигатели, манипуляторы и др. Без сомнения, области использования сплавов с ЕЗФ будут непрерывно расширяться.

1. Жаропрочные титановые сплавы для деталей ГТД

Существенное повышение требований к экономичности и надежности газотурбинных двигателей, к снижению их шумовых характеристик и увеличению ресурса заметно обострили проблему выбора конструкционных материалов, используемых для изготовления ответственных деталей двигателя, в первую очередь, - для лопаток и дисков компрессора высокого давления.

Если учесть, что в современном авиационном двигателе доля титановых сплавов составляет >30% (рис.1) [1], то станет понятно, насколько важны эти материалы для авиации и насколько необходимо интенсивное развитие материаловедения титановых сплавов и технологии их производства.

Рис. 1. Области применения жаропрочных титановых сплавов в конструкции ГТД

Одним из главных лимитирующих факторов при разработке титановых сплавов стало требование по повышению рабочей температуры деталей компрессора высокого давления ГТД до 550-650°С. По этой причине создание жаропрочных титановых сплавов с высоким сопротивлением малоцикловой усталости и ползучести является в настоящее время одной из наиболее актуальных задач современного двигателестроения.

Прототипами таких сплавов стали отечественные жаропрочные титановые сплавы ВТ25У и ВТ18У, разработанные и внедренные в 80-х годах прошлого столетия, и зарубежные сплавы IMI834 и IMI550 (Великобритания). Различия в химических составах отечественных и зарубежных сплавов невелики, но они носят крайне принципиальный характер. Разработчики сплавов серии IMI в целях обеспечения высокого сопротивления ползучести и термостабильности существенно уменьшили содержание в-фазы в своих сплавах. В результате этого значительно ухудшилась их технологичность. В отечественных сплавах небольшое количество остаточной в-фазы было сохранено, поэтому они обладают приемлемой для производства технологичностью, что позволяет изготовлять блиски, барабаны, диски и лопатки различных ступеней КВД авиационных двигателей. Однако наличие остаточной в-фазы привело к тому, что хотя по характеристикам кратковременной и длительной прочности при рабочих температурах отечественные титановые сплавы и превосходят импортные аналоги (табл.1), но все же сопротивление ползучести и термическая стабильность при предельной температуре (600°С) у наших сплавов ниже, чем у зарубежных.

Таблица 2

Механические свойства жаропрочных титановых сплавов [2]

Следует отметить, что приведенные в табл.1 данные по уровню свойств жаропрочных титановых сплавов уже вряд ли удовлетворяют конструкторов. По этой причине относительно новые жаропрочные титановые сплавы - как отечественные, так и зарубежные (ВТ25У и ВТ18У, Тi-6-2-4-2 и IM834) - нуждаются в дальнейшем улучшении их эксплуатационных характеристик.

Несмотря на то, что исследователи подошли практически вплотную к предельным возможностям твердо-растворного упрочнения псевдо-б-сплавов титана, проводимые во ФГУП "ВИАМ" в данном направлении работы, позволяют считать, что применение дополнительного многокомпонентного легирования обеспечит некоторое повышение жаропрочных характеристик титановых сплавов.

Так, использование дополнительного легирования такими элементами, как W и Fe, позволило обеспечить повышение и предела прочности у_в600° до 720 МПа, и предела длительной прочности при 600°С на базе 100 ч (у₁₀₀600°) - до 335 МПа (рис.2) для нового жаропрочного титанового сплава ВТ41.

Улучшение прочностных характеристик и жаропрочности при введении дополнительных легирующих элементов связано, главным образом, с образованием некоторого количества карбидной фазы на основе вольфрама и упрочнением, вызванным дополнительным легированием б-твердого раствора железом, введенным в пределах растворимости.

Рис. 2. Механические свойства серийного сплава ВТ18У (?) и нового сплава ВТ41 (¦), полученные на штамповках дисков, изготовленных методом в-деформации (при испытании на МЦУ: N=10⁴ цикл; R=0; f=10 Гц; K_t=3,35; r_н=0,25 мм)

В то же время свойства, связанные с механизмом ползучести и распространения трещины, зависят не столько от вида легирования, сколько от типа структуры. Получение заданного типа микроструктуры материала детали определяется технологическими режимами деформации, используемыми при ее изготовлении, и последующей термической обработки [3].

Проследить, каким образом технологические режимы термомеханической обработки влияют на микроструктуру сплава и, как следствие, - на трещиностойкость и характеристики усталостной прочности можно на примере нового жаропрочного титанового сплава ВТ41, который предназначен для работы при температурах до 600°С. Полуфабрикаты, изготовленные (б+в) - деформацией, обладают глобулярно-пластинчатой структурой (рис.3), которая обеспечивает повышенные характеристики усталостной прочности на мало - и многоцикловой базах испытаний (табл.2). Метод в-деформации позволяет получить на полуфабрикатах пластинчатую структуру (рис.3, а), которая обеспечивает повышенную жаропрочность и трещиностойкость (табл.3) [4].

Рис.3. Микроструктура полуфабрикатов из сплава ВТ41: а - пластинчатая (штамповка, в-деформация); б - глобулярно-пластинчатая (штамповка диска, (б+в) - деформация); в - глобулярно-пластинчатая (пруток, (б+в) - деформация)

Таблица 3

Механические свойства нового отечественного и зарубежного жаропрочных титановых сплавов [2, 3, 5, 6]

*Для МЦУ: R=0; f=10 Гц; для МнЦУ: R=-1;

** Катаный пруток, закалка и старение.

По данным, приведенным в табл.3, можно сделать вывод, что эксплуатационные свойства нового жаропрочного титанового сплава ВТ41 не только превышают свойства серийного сплава ВТ18У, но и превосходят свойства зарубежного жаропрочного титанового сплава-аналога IMI834.

Однако предел рабочих температур жаропрочных титановых сплавов типа ВТ18У, ВТ41 и IMI834 составляет 550-600°С, что является недостаточным для деталей компрессора и турбины ГТД нового поколения. Поэтому в течение последних лет внимание разработчиков и исследователей всего мира приковано к новому классу материалов. Благодаря высоким удельным прочностным характеристикам, рабочей температуре >600°С и стойкости к окислению и возгоранию [7, 8], интерметаллидные сплавы на основе алюминидов титана, а именно на основе орто-фазы Ti₂AlNb, являются наиболее перспективными материалами для изготовления деталей последних ступеней компрессора и турбины ГТД нового поколения.

Типичными представителями интерметаллидных титановых орто-сплавов являются сплавы, приведенные в табл.3.

Таблица 4

Интерметаллидные сплавы на основе орто-фазы (Ti₂AlNb) [2, 9]

Современные орто-сплавы в качестве легирующих элементов (кроме ниобия) содержат также элементы: Mo, V, Ta, W и Zr. Выбор указанных элементов обусловлен тем, что в тройных сплавах Ti-Al-Nb они повышают упругие и прочностные свойства, снижают окисляемость, а за счет изменения фазового состава и структурных превращений позволяют сформировать многочисленные типы структур с повышенными прочностными и пластическими характеристиками и параметрами надежности [9-12]. Для повышения жаропрочных свойств в сплавы вводят Si и С, которые благодаря образованию сложных силицидов, карбидов и дисперсного упрочнения, повышают температурные характеристики - кратковременную и длительную прочность композиций.

Повышенные жаропрочные свойства орто-сплавов наблюдаются при легировании их тугоплавкими элементами, однако повышенное легирование нецелесообразно, поскольку увеличивается плотность сплавов и снижается пластичность, что приводит к уменьшению удельных жаропрочных характеристик и ухудшению технологичности. Преодоление указанных трудностей достигается путем разработки экономно легированных орто-сплавов и использования технологий производства титановых сплавов, позволяющих за счет твердо-растворного, дисперсионного и структурного упрочнения орто-фазы сохранить хорошую технологичность при сохранении приемлемой жаропрочности. Используя указанные приемы и методы, во ФГУП "ВИАМ" разработаны орто-сплавы ВТИ-4 и ВИТ1 [9, 13].

В табл.4 представлены физико-механические свойства интерметаллидных титановых сплавов на основе орто-фазы (Ti₂AlNb).

Таблица 5

Физические и механические свойства интерметаллидных титановых сплавов на основе орто-фазы [2, 9]

Хотя интерметаллидные сплавы на основе орто-фазы Ti₂AlNb являются наиболее перспективными материалами для изготовления деталей последних ступеней компрессора и турбины ГТД нового поколения, освоение орто-сплавов в промышленном масштабе сдерживается рядом трудностей, которые вызваны специфическими особенностями (большое количество легирующих элементов, повышенная температура плавления и вязкость расплавов, трудность точного определения основных компонентов) и использованием мощного металлообрабатывающего оборудования для производства конечных деформированных полуфабрикатов - штамповок, поковок, листов, прутков и пр. Поэтому оптимизация химического состава, технологий выплавки и деформации, направленная на повышение характеристик пластичности, технологий механической обработки, изучение кинетики структурно-фазовых превращений, происходящих при термомеханической обработке, являются первоочередными задачами при исследовании интерметаллидных титановых сплавов [12-15].

В настоящее время проводятся работы по освоению разработанных интерметаллидных титановых сплавов на базе промышленных предприятий и их внедрению в перспективные изделия. Одновременно с этим продолжаются работы по дальнейшему совершенствованию композиций сплавов и технологий их металлургического производства в соответствии со стратегическими направлениями развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года [16-18]. Требования, предъявляемые конструкторами к материалам для модернизируемых и новых изделий авиационной техники, ставят перед разработчиками материалов все новые задачи.

Использованная литература