Обзор титановых сплавов для аэрокосмических крепежных изделий

Крепежные изделия являются важными универсальными базовыми компонентами, играющими ключевую роль в промышленности, и часто называются «промышленным рисом».

По видам крепеж можно разделить на 13 основных категорий: болты, винты, шпильки, гайки, шурупы, саморезы, шайбы, заклепки, штифты, стопорные кольца, соединительные пары и сборочные элементы крепежа. По области применения крепеж делится на изделия общего назначения и аэрокосмические. В авиационной отрасли механическое соединение по-прежнему остается основным способом сборки, и соединение элементов самолета осуществляется при помощи большого количества различных видов крепежа. В космической отрасли крепеж также используется для соединения различных отсеков летательных аппаратов.

С развитием тенденции к облегчению конструкции оборудования титановые сплавы все чаще применяются для изготовления аэрокосмического крепежа. На международной арене история использования титановых крепежных изделий началась в 1950-х годах, когда США первыми применили болты из сплава Ti-6Al-4V на бомбардировщике B-52, что позволило значительно снизить массу конструкции. Это стало отправной точкой применения титанового крепежа в аэрокосмической отрасли. В настоящее время в таких развитых странах, как США и Франция, более 95% титанового крепежа изготавливается из признанного во всем мире сплава Ti-6Al-4V. В ряде современных самолетов титановые крепежные изделия полностью заменили сталь 30CrMnSiA.

Например, применение титанового крепежа на американском военно-транспортном самолете C-5A позволило снизить его массу примерно на 4500 кг. На гражданском авиалайнере Boeing 747 замена стального крепежа на титан привела к снижению массы на 1814 кг. В России титановые крепежные изделия и сплавы применяются в самолетах Ил-76, Ил-86, Ил-96, Ту-204, Ан-72 и Ан-124, что позволило существенно уменьшить их вес. Так, на самолете Ил-76 используется около 142 000 титановых крепежных элементов, благодаря чему масса снизилась на 600 кг.

Разработка титанового крепежа в Китае началась в 1965 году. В 1970-х годах соответствующие организации начали исследования заклепок из титановых сплавов и их применения. В 1980-х годах небольшое количество титановых заклепок и болтов начали использовать в отдельных военных самолетах второго поколения. В конце 1990-х годов, с запуском производственных линий для истребителей третьего поколения и разработкой китайских аналогов, началось применение титанового крепежа в этих проектах. В последние годы, по мере развития китайской аэрокосмической отрасли, различные учреждения начали активно заниматься разработкой титановых сплавов для крепежных изделий и совершенствованием технологий их производства. Титановые крепежные изделия широко используются в авиационно-космической сфере и находят большое применение в гражданской авиации. Согласно имеющимся данным, для одного китайского пассажирского самолета C919 требуется около 200 000 титановых крепежных изделий. При плане производства 150 самолетов в год в 2018 году, ежегодная потребность составляла около 30 миллионов титановых крепежных элементов.

1. Преимущества титановых сплавов для крепёжных изделий

В таблице ниже приведено сравнение характеристик титановых сплавов и сталей, применяемых в крепёжных изделиях. Титановые сплавы обладают рядом преимуществ при использовании в качестве материала для крепежа:

1. Низкая плотность

Плотность титановых сплавов значительно ниже, чем у сталей, поэтому крепёжные изделия из титана легче аналогичных стальных изделий.

2. Высокая удельная прочность

Титановые сплавы имеют одну из самых высоких удельных прочностей среди распространённых металлических материалов. Благодаря этому титановый крепёж может применяться даже вместо лёгких алюминиевых сплавов. При одинаковой нагрузке детали из титана могут иметь меньшие габариты, что позволяет экономить пространство — это особенно важно в авиационно-космической отрасли.

3. Высокая температура плавления

Температура плавления титановых сплавов значительно выше, чем у сталей, что обеспечивает лучшую термостойкость титанового крепежа.

4. Низкий коэффициент теплового расширения и модуль упругости

Эти характеристики способствуют повышенной термической стабильности и снижению деформаций при нагреве.

5. Немагнитность

Титановые сплавы обладают чрезвычайно низкой магнитной проницаемостью, практически равной нулю. Крепёж из титана не магнитится, что позволяет избежать электромагнитных помех. Аустенитные нержавеющие стали тоже немагнитны, но после холодной обработки могут намагничиваться. Титановые сплавы сохраняют немагнитность даже после термо- или холодной обработки, что делает их идеальными для авиационной электроники.

6. Высокое соотношение предела текучести к пределу прочности на разрыв (коэффициент текучести)

При расчётах на растяжение ключевым параметром является предел текучести, так как после пластической деформации крепёж теряет свои функции. У титановых сплавов предел текучести близок к пределу прочности на разрыв, что даёт высокий коэффициент текучести и делает крепёж более надёжным.

7. Совместимость по электродному потенциалу с углеродными композиционными материалами

Одной из важнейших причин широкого применения титана в крепеже является его электродный потенциал, близкий к потенциалу углеродных композитов. Это позволяет эффективно предотвратить гальваническую коррозию.

8. Дополнительные преимущества

Титановые сплавы также обладают отличной коррозионной стойкостью и высокой ползучестью при длительных нагрузках.

Сравнительная таблица характеристик материалов для крепежа

2. Титановые сплавы для крепежных изделий и их характеристики

Титановые сплавы, применяемые в крепежных изделиях, тесно связаны с их технологией изготовления и сферой применения.

С технологической точки зрения, процесс изготовления титанового крепежа обычно включает три этапа:

1. Пластическая деформация — такие операции, как высадка, обжатие, накатывание резьбы;

2. Поверхностное упрочнение — например, упрочнение переходной зоны между головкой болта и стержнем;

3. Механическая обработка — токарная, фрезерная, шлифовальная и др.

С другой стороны, в зависимости от области применения, к материалам предъявляются разные требования по механическим свойствам, поэтому подбираются разные марки титановых сплавов.

Например, заклепки требуют высокой пластичности, так как при установке один или оба конца деформируются.

Болты, напротив, требуют высокой прочности, сравнимой с высокопрочной легированной сталью 30CrMnSiA, поэтому здесь применяются в основном высокопрочные титановые сплавы.

Учитывая оба эти аспекта, титановые сплавы для крепежных изделий делятся на три основные группы:

технически чистый титан (Commercially Pure Titanium), α+β-сплавы, и β-сплавы.

См. таблицу 2 для детального списка.

Из таблицы видно, что к чистым титанам относятся Grade 1 и Grade 2.

К α+β сплавам — Ti-6Al-4V, Ti-6Al-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe-0.3Si, Ti-662 и др.

Для β-сплавов предпочтение отдается метастабильным β-сплавам, поскольку они имеют мольбденовый эквивалент (Mo_eq) около 10%.

Если Mo_eq < 10%, у так называемых near-β сплавов эффект упрочнения при термообработке недостаточен.

Если Mo_eq > 10%, то стабильные β-сплавы слишком устойчивы, и β-фаза плохо распадается при старении.

Следовательно, метастабильные β-сплавы обеспечивают наилучшие характеристики упрочнения.

Дополнительно, метастабильные β-сплавы обладают отличной формуемостью при холодной высадке, что позволяет отказаться от дорогостоящего нагрева и защитной атмосферы. Это обеспечивает высокую производительность, экономичность материала, высокую точность и качество поверхности готовых изделий.

Напротив, α+β-сплавы требуют горячей высадки, с использованием специального оборудования и газа, что снижает эффективность и усложняет контроль температуры.

Таблица 2. Титановые сплавы, применяемые в крепежных изделиях

Таблица 3. Механические свойства титановых сплавов для заклепок

Примечание:

Rm — предел прочности; A — удлинение; Ψ — относительное сужение; τ — предел прочности при сдвиге

Таблица 4. Механические свойства титановых сплавов для болтов (состояние: закалка + старение)

Примечание:

Rm — предел прочности при растяжении; Rp0.2 — предел текучести; A — удлинение; Ψ — сужение; τ — прочность при сдвиге

3. Основные марки титановых сплавов для крепежных изделий

Титановый сплав Ti-6Al-4V

Ti-6Al-4V — это двухфазный титановый сплав средней прочности (α+β), наиболее широко исследуемый и применяемый среди всех титановых сплавов. Большинство титановых крепежных изделий изготавливается именно из Ti-6Al-4V. Для производства крепежа из этого сплава возможно использовать только горячую высадку с применением специализированного оборудования для нагрева и ковки, что снижает производительность и приводит к низкому коэффициенту использования материала.

Для высокопрочных крепежных изделий прочности Ti-6Al-4V недостаточно: после термообработки (растворение + старение) его предел прочности на разрыв достигает максимум 1100 МПа, а прочность на срез — около 650 МПа. Из-за низкой прокаливаемости, диаметр поперечного сечения крепежа обычно не превышает 19 мм.

Крепеж из Ti-6Al-4V включает в себя болты, высокозамковые болты, вытяжные заклёпки, винты и кольцевые заклёпки. Он широко применяется в авиации, двигателях, авионике, космических аппаратах и спутниках Китая.

Ti-6Al-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Si

Этот мартенситный двухфазный титан (α+β) обладает отличными комплексными свойствами. Обычно используется в отожженном состоянии, но может быть дополнительно упрочнён термообработкой. Также имеет хорошую стойкость к окислению.

Ti-3Al-5Mo-4.5V

Типичный двухфазный сплав, упрочняемый старением после растворения. После растворяющей термообработки обладает высокой пластичностью при комнатной температуре и отличной способностью к холодной высадке — отношение высадки может достигать 1:4. В производстве крепежа этот сплав можно использовать как для холодной, так и для горячей высадки. Применяется для изготовления болтов, винтов, самоконтрящихся гаек и т. д.

Ti-3Al-8Cr-5Mo-5V

Это метастабильный β-титановый сплав. В состоянии после растворения обладает превосходной холодной формуемостью и хорошей свариваемостью. Используется для изготовления гофрированных оболочек спутников, соединительных поясов ракета-спутник, а также различных заклёпок и болтов. Особенно активно применяется в критически важных изделиях авиационно-космической техники.

Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5Al

Метастабильный β-титан, способный к термическому упрочнению. В состоянии после растворения обладает отличной холодной формуемостью — отношение высадки до 2.8. После старения достигается высокая прочность. Применяется для производства крепежа авиационно-космического назначения прочностью до 1100 МПа.

Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al

Также метастабильный β-сплав с отличной холодной формуемостью, сопоставимой с чистым титаном. После растворения может использоваться для холодной формовки различных видов крепежа. После старения прочность на разрыв достигает 1000 МПа. Применяется на самолётах Boeing, а также в Китае для изготовления холодновысаженных заклёпок для истребителей и спутниковых конструкций.

Ti-3Al-2.7Nb-15Mo

Метастабильный β21S титан. Обладает отличной технологичностью при горячей и холодной обработке, хорошей прокаливаемостью, высокой ползучестью и коррозионной стойкостью. За счёт использования β-стабилизирующих элементов с высокой температурой плавления и низким коэффициентом самодиффузии (Mo и Nb) имеет чрезвычайно высокую окислительную стойкость — в 100 раз выше, чем у Ti-15-3. В настоящее время высокопрочные болты из этого сплава активно применяются в ключевых китайских авиационных проектах.

Сравнение окисляемости Ti-3Al-2.7Nb-15Mo и Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn

Ti-45Nb

Это стабильный β-титан, разработанный специально для производства заклёпок. Изначально применялся чистый титан, но его прочность была недостаточной для ответственных узлов. Поэтому потребовался материал с пластичностью, аналогичной чистому титану, но с большей прочностью. Обычные метастабильные β-сплавы имеют высокое сопротивление деформации и низкую пластичность при комнатной температуре.

Ti-45Nb был разработан как решение этой задачи. Он обладает высокой пластичностью при комнатной температуре: удлинение до 20%, уменьшение сечения до 60%, отличная способность к холодной обработке. По сравнению с чистым титаном, Ti-45Nb имеет более высокую прочность на разрыв и сдвиг — 450 МПа и 350 МПа соответственно.

4. Перспективы развития

Сверхпрочные титановые крепежные изделия

С развитием китайской авиационно-космической отрасли уровень технологий соединения, применяемых в новых типах летательных аппаратов и космических кораблей, постоянно растет, что выдвигает новые требования к крепежным изделиям.

Одним из направлений будущего развития является создание сверхпрочных титановых крепежных элементов с пределом прочности на разрыв от 1200 до 1500 МПа и пределом прочности на срез не менее 750 МПа.

Жаропрочные титановые крепежные изделия

В настоящее время рабочие температуры титановых сплавов, применяемых в крепеже, относительно невысоки (см. таблицу 5).

Однако в авиационно-космической отрасли, с увеличением скорости полета новых самолетов и космических аппаратов, предъявляются более высокие требования к температурной устойчивости материалов.

Поэтому разработка жаропрочных титановых крепежных изделий, способных выдерживать кратковременное воздействие температур 600–800 °C, особенно актуальна для космоса.

Обычно в таких случаях используют сплав Ti₂AlNb в качестве замены более тяжелых жаропрочных суперсплавов. Однако у него наблюдается значительная деформация, и даже по сравнению с другими титанами он остается довольно тяжелым, что затрудняет реализацию целей по снижению массы.

Кроме того, интерметаллические соединения на основе Ti-Al обладают плохой пластичностью и низкой степенью технологической зрелости.

Таким образом, в будущем жаропрочные титановые сплавы для крепежа будут по-прежнему основываться на псевдо-α сплавах и двухфазных (α+β) сплавах с высоким содержанием алюминия.

Повышение прочности и ползучести титановых сплавов при высоких температурах в первую очередь обеспечивается твердорастворным упрочнением элементами Al, Sn и Zr. Однако из-за ограничений по алюминиевому эквиваленту нельзя бесконечно увеличивать их содержание. Поэтому целесообразно в рамках допустимых пределов по Al, Sn, Zr использовать многокомпонентное легирование для дополнительного упрочнения.

Mo (молибден), как β-стабилизатор, эффективно повышает прочность и сопротивление ползучести при высоких температурах. Аналогичными эффектами обладают Nb (ниобий), Cr (хром) и V (ванадий). Кроме того, небольшие добавки β-стабилизаторов помогают предотвратить охрупчивание сплава.

Содержание Si (кремния) также играет важную роль. Добавление примерно 0,2% по массе Si вызывает выпадение эллипсоидных силицидов по границам α-пластин, что эффективно препятствует движению дислокаций и вызывает дисперсионное упрочнение, значительно улучшая сопротивление ползучести.

Однако силициды ухудшают термическую стабильность структуры, снижают пластичность сплава и усиливают его упорядоченность, способствуя образованию фазы Ti₃Al.

Поэтому содержание Si должно быть низким — не более 0,5% по массе.

Вывод: многоэлементное композитное легирование по-прежнему является ключевым направлением в проектировании новых жаропрочных титановых сплавов для крепежных изделий.

Таблица 6. Температуры применения распространённых титановых сплавов для крепежа