Исследование, разработка и применение титанового сплава Ti6Al4V

Сплав Ti6Al4V был впервые успешно разработан в 1954 году и представляет собой двухфазный сплав с эквиаксиальной мартенситной структурой. В настоящее время он стал широко используемым титаном сплавом в мире. Этот сплав широко применяется в авиационных компонентах, и его усталостные характеристики продолжают оставаться в центре внимания исследований.

В зависимости от степени очистки сплав Ti6Al4V делится на обычный Ti6Al4V и Ti6Al4V (ELI). Их химический состав приведён в таблице 1. Измеренные механические свойства данного сплава следующие: предел прочности при растяжении (σb) — 896 МПа, предел текучести (σs) — 869 МПа, модуль упругости (E) — 110 ГПа, модуль сдвига (G) — 42,7 ГПа, плотность (ρ) — 4,43 г/см³. В настоящее время Ti6Al4V составляет 50% от общего объема производства титановых сплавов и 95% от всех обработанных титановых изделий. С момента появления этого сплава исследования в этой области не прекращались, и благодаря длительным и глубоким исследованиям технология его обработки значительно усовершенствована.

Однако в последние годы, в связи с изменением концепции проектирования — от простого проектирования на основе статической прочности к концепции безопасного разрушения и принципам проектирования с учетом предела повреждений — а также с развитием новых областей применения, интерес к исследованиям сплава Ti6Al4V снова возрос. В настоящее время проведено множество исследований по влиянию микроструктуры, текстуры, термической обработки, размера поперечного сечения, направления нагрузки, коэффициента напряжения, состояния поверхности и условий коррозии на усталостные характеристики сплава. Эти исследования способствовали повторному росту популярности Ti6Al4V в качестве материала для новых применений.

Таблица 1: Химический состав сплавов Ti6Al4V и Ti6Al4V (ELI) (в массовых процентах)

1. Промышленное применение β-термообработки

С ростом потребности в повышении эффективности и снижении затрат в авиационной промышленности снижение плотности материалов и повышение их характеристик становятся все более важными. Уменьшение плотности материала позволяет повысить тяговооруженность самолета, увеличить дальность полета и сократить расход топлива. Одним из основных способов снижения массы авиационных конструкционных элементов является использование α+β-титановых сплавов с высокой удельной прочностью и отличными комплексными свойствами, что позволяет снизить массу на 10% и более.

В то же время, для обеспечения расчетного срока службы и устойчивости к повреждениям конструкционные материалы должны обладать высокой трещиностойкостью и сопротивляемостью распространению трещин. По сравнению с другими высокопрочными инженерными материалами, титановые сплавы имеют низкий модуль упругости, из-за чего конструкции, рассчитанные по критерию жесткости, часто оказываются массивными и громоздкими. Поэтому повышение комплексных свойств α+β-титановых сплавов остается важной задачей для исследователей.

Обычно температура ковки титановых сплавов находится на 40-50°C ниже температуры фазового превращения. При такой температуре деформация приводит к формированию равноосной зеренной структуры, что обеспечивает материалу хорошую прочность, пластичность и термическую стабильность при комнатной температуре. Однако при этом высокотемпературные свойства, трещиностойкость и сопротивляемость распространению трещин ухудшаются. В то же время ковка при температуре выше точки фазового превращения приводит к образованию сетчатой структуры (basketweave), которая улучшает ползучесть, длительную прочность, трещиностойкость и сопротивляемость распространению трещин при высоких температурах, но значительно снижает пластичность и термическую стабильность.

Чтобы решить эту проблему, исследователи разработали теорию около-β-ковки (Near-β Forging Theory), объединив теорию фазовых превращений, теорию деформационной термообработки и теорию упрочнения и повышения вязкости. С использованием численного моделирования на основе компьютеров эта теория позволяет проводить ковку при температурах, на 45-75°C ниже точки фазового превращения. В результате формируется трехфазная структура, включающая равноосные зерна α, пластинчатые α и β-матрицу. Такая структура позволяет значительно повысить предел текучести, ползучесть, ресурс при низкоцикловой усталости, трещиностойкость и сопротивляемость распространению трещин при одновременном сохранении хорошей пластичности и термической стабильности. Кроме того, эта технология позволяет увеличить рабочую температуру материала.

Согласно литературным данным, при температуре ковки, находящейся в диапазоне на 45-75°C ниже температуры β-превращения, показатели прочности при растяжении и относительного удлинения полностью соответствуют требованиям стандарта GJB391-87. Это связано с тем, что значительная разница между температурой нагрева и температурой β-превращения предотвращает превышение этой температуры во время деформации, даже при дополнительном нагреве, вызванном пластической деформацией. Таким образом, деформация полностью происходит в двухфазной области (α+β), а степень деформации достигает около 70%. После окончательной ковки и термообработки микроструктура готового изделия состоит из первичных α и β равноосных зерен.

2. Исследование влияния микроструктуры и текстуры на характеристики материала

Направленность пластической деформации приводит к формированию текстуры кристаллов. Когда структура листового материала равномерно распределена во всех направлениях, это способствует изотропному поведению при деформации, обеспечивая схожие скорости деформации по всем направлениям и снижая вероятность появления слабых зон. При комнатной температуре содержание α-фазы в сплаве Ti6Al4V составляет более 85%. Когда текстура плотноупакованной гексагональной решетки (HCP) α-фазы ориентирована перпендикулярно или почти перпендикулярно поверхности листа, в направлении толщины наблюдается максимальная плотность текстуры и наивысшая прочность, что повышает устойчивость материала к разрушению при глубокой вытяжке.

Сплав Ti6Al4V содержит 6% алюминия (стабилизатор α-фазы) и 4% ванадия (стабилизатор β-фазы), обладает отличными комплексными свойствами и широко применяется в авиационной промышленности. Полуфабрикаты из этого сплава выпускаются в виде прутков, поковок, листов, профилей и проволоки.

Влияние различной структуры и текстуры на механические свойства

Разные микроструктуры и текстуры приводят к различным механическим свойствам:

• Высокая плотность текстуры обычно соответствует высокой прочности;

• Низкая плотность текстуры — низкой прочности.

С помощью правильно выбранных процессов пластической деформации можно сформировать текстуру, благоприятную для последующей обработки. В случае листового материала, если текстура ориентирована перпендикулярно или почти перпендикулярно к поверхности, прочность в направлении толщины усиливается, а механические свойства по продольной и поперечной осям становятся более однородными. Несмотря на то что прочность может быть немного ниже, такой лист обладает отличной формуемостью при холодной штамповке.

Согласно литературным данным, различные режимы прокатки позволяют получать различные текстуры и микроструктуры, каждая из которых имеет свои особенности прочностных характеристик.

Влияние микроструктуры на рабочие свойства

Сплав Ti6Al4V в основном используется в состоянии обычного отжига, но также может применяться в состоянии закалки и старения. В разных термических состояниях влияние микроструктуры на свойства материала значительно отличается.

• В состоянии обычного отжига:

При испытаниях на усталость гладких образцов и образцов с надрезом, пластинчатая структура показывает высший предел выносливости, чем двухфазная структура.

Однако в условиях высоких напряжений двухфазная структура демонстрирует лучшие усталостные характеристики.

• В состоянии закалки и старения:

Усталостная прочность снижается в следующем порядке:

двухфазная > мелкозернистая равноосная > мелкозернистая пластинчатая > крупнозернистая равноосная > крупнозернистая пластинчатая.

Кроме того, при заметной разнице в макрозернистости даже одинаковая микроструктура может демонстрировать различную усталостную прочность. Поэтому контроль микроструктуры и размера зерна в поковках имеет особое значение для обеспечения требуемых эксплуатационных характеристик.

3. Влияние методов плавки и ковки на микроструктуру и свойства заготовок из Ti6Al4V

Благодаря своей высокой прочности при комнатной температуре и хорошей жаропрочности, титановый сплав Ti6Al4V широко применяется в производстве таких ответственных и нагруженных компонентов, как обшивка самолетов, диски и лопатки компрессоров, топливные баки ракетных двигателей и др. Поскольку требования к качеству готовых изделий очень высоки, все этапы производства — от плавки, получения заготовок, прокатки и ковки до окончательной обработки — должны находиться под строгим контролем.

Особенно важно контролировать микроструктуру и свойства начальных заготовок, поскольку дефекты, возникшие на стадии плавки и первичной обработки, трудно устранить на последующих этапах. Испытания показали, что для получения высококачественных заготовок из Ti6Al4V рекомендуется использовать трёхкратную вакуумную дуговую переплавку (VAR), а ковку проводить при температуре 1150 °C, включая β-ковку с чередующимися осадками и вытяжками, что обеспечивает высокую степень деформации. После термообработки структура заготовки состоит из первичной α + β равноосной микроструктуры.

Также установлено, что если выполнять многократную ковку литых слитков в области двух фаз (α+β), а затем прокатку и отжиг, можно получить толстолистовой прокат, соответствующий стандарту XJ/BS5154. С помощью метода оболочечной паковочной прокатки исследован процесс производства широких тонких листов Ti6Al4V, а также влияние типа прокатки, степени деформации и режима термообработки на структуру и свойства листа.

На обратимом стане 3,3 м с четырьмя валками применяли два технологических маршрута:

1. после β-термообработки прокатка в области α+β;

2. начало деформации и прокатка — полностью в области α+β.

В обоих случаях после термической и поверхностной обработки полученные широкие тонкие листы из Ti6Al4V удовлетворяют требованиям стандарта Q/BS5508-1999 по структуре, свойствам, внешнему виду и форме. Таким образом, при соблюдении технологии можно получить заготовки с необходимой микроструктурой и свойствами.

4. Изотермическая ковка и сверхпластическая формовка Ti6Al4V

Ti6Al4V — это один из наиболее широко используемых α+β титансодержащих сплавов. Благодаря высокой прочности и хорошей пластичности, его доля в новых истребителях достигает 40%, что способствует улучшению тяговооружённости двигателя, скорости полета и боевых характеристик самолета.

Тем не менее, Ti6Al4V относится к труднообрабатываемым материалам:

• обладает высокой сопротивляемостью к деформации,

• требует высоких температур обработки,

• имеет узкий температурный интервал горячей обработки,

• и при этом очень дорог.

При обычной ковке, как правило, получают крупногабаритные заготовки с низким КПД использования металла —

всего 10–20 %, а для некоторых элементов — даже менее 10 %, что приводит к значительным потерям материала.

Вдобавок плохая обрабатываемость повышает стоимость механообработки, а также усложняет контроль микроструктуры и однородности свойств в крупных поковках, что вызывает колебания в качестве изделий.

Одним из способов решения этих проблем является переход к точному или «чистовому» формированию поковок, сводя к минимуму или полностью исключая механообработку.

Преимущества изотермической ковки

Для решения проблемы узкого температурного диапазона обработки применяется изотермическая ковка, основанная на сверхпластичности материала при определенных температурах.

С понижением температуры сопротивление деформации титана резко возрастает, особенно при прецизионной ковке, когда влияние низкотемпературного поверхностного слоя значительно.

• Для обычной ковки требуемое напряжение деформации составляет 390–590 МПа;

• Для точной ковки — до 490–980 МПа.

Такое высокое напряжение создаёт колоссальную нагрузку на штампы, вызывает локальное нагревание, размягчение и быстрый износ оснастки, ограничивая возможности точной объемной ковки.

Однако при сверхпластических условиях:

• не формируется низкотемпературный поверхностный слой,

• между заготовкой и штампом находится слой смазки,

• трение значительно снижается.

В этом случае:

• напряжение деформации снижается до 80–100 МПа,

• для особо сложных деталей не превышает 200 МПа,

• нагрузка статическая,

поэтому изотермическая ковка может выполняться на прессах в 5–10 раз меньшей мощности по сравнению с обычной ковкой.

Проблема мёртвых зон и устранение с помощью изотермической ковки

В традиционной ковке часто возникает мёртвая зона (dead zone) — область без значительной деформации, которая приводит к неоднородности микроструктуры. Это связано с охлаждающим эффектом штампа и трением, вызывающими образование поверхностного слоя с низкой температурой и низкой степенью деформации, что мешает измельчению крупных зерен.

Чтобы устранить эти области, обычно увеличивают припуск и удаляют их в процессе последующей обработки, но это увеличивает расход металла и является одной из причин, по которой трудно достичь точности при обычной ковке.

При изотермической и горячештамповой ковке мёртвые зоны практически отсутствуют, поэтому для прецизионной ковки необходимо использовать заготовки, прошедшие изотермическую ковку, в которых структура мёртвых зон уже устранена.

Практические результаты и стабильность процесса изотермической ковки

Изотермическая ковка сводит к минимуму влияние человеческого фактора:

рабочий переносит заготовку из автоматической печи в предварительно прогретую форму, далее гидравлический пресс выполняет осадку по заданным параметрам, и только извлечение из формы происходит вручную.

Все параметры процесса задаются заранее, что обеспечивает высокую повторяемость и стабильность, необходимую для точной ковки.

Исследования показали, что изотермической ковкой можно изготовить тонкостенные полые поковки из Ti6Al4V (например, передний вал высокого давления) с гладкой поверхностью и массой, на 60 % меньше, чем у аналогов, полученных обычной ковкой. Это значительно снижает расход металла и объём механообработки.

Химический состав, механические свойства и микроструктура изделия соответствуют техническим требованиям, и поковки успешно прошли испытания на нескольких двигателях.

Общая наработка составила 1007 часов, при этом наибольшая наработка одного двигателя составила 249 часов — без выявленных отклонений, полностью удовлетворяя требованиям к конструкции двигателя.

Также были проведены исследования штампов и процессов формовки нестандартных оболочек из титанового сплава, включая влияние режимов нагрева и скорости формовки на качество изделий. Для изготовления нестандартных оболочек из Ti6Al4V использовались экструзионные трубчатые заготовки, подвергнутые двухступенчатой формовке при температуре 780 °C, со скоростью осадки:

• 1-я стадия: 7 мм/с,

• 2-я стадия: 5 мм/с —

в результате чего получены детали, соответствующие всем требованиям.

5. Моделирование микроструктуры и прогнозирование свойств Ti6Al4V

В процессе горячей деформации металл претерпевает динамическую и статическую рекристаллизацию, формируя новые зерна. Эти микроструктурные изменения в значительной степени определяют макроскопические механические свойства готового изделия. Управление размером зерен и измельчение микроструктуры с помощью термопластической обработки — важные методы повышения прочностных характеристик материала.

Исследования показывают, что размер зерен после рекристаллизации и процент рекристаллизованных зерен зависят не только от исходной зернистости и содержания легирующих элементов, но прежде всего от температуры, степени деформации и скорости деформации в процессе обработки и охлаждения.

В последние годы метод конечных элементов (FEM) сделал прорыв в численном моделировании процессов горячей формовки. Он позволяет достаточно точно предсказывать распределение параметров деформации, что дало мощный инструмент для анализа микроструктурных изменений в ходе горячей обработки.

Таким образом, моделирование термопластической обработки металлов выходит за рамки изучения распределения параметров деформации и позволяет прогнозировать эволюцию микроструктуры металлов, а также предсказывать конечные механические свойства изделий (предел текучести, прочность на разрыв, удлинение, твёрдость и др.). Это стало важным направлением в области пластической обработки металлов, способствуя развитию технологий производства и улучшению качества продукции.

С использованием методов количественного металлографического анализа была исследована микроструктурная эволюция Ti6Al4V при высокотемпературной деформации. На этой основе разработан подход с применением нечеткой динамической линейной модели (FDLM) из теории нечетких множеств для описания микроструктурных изменений Ti6Al4V при горячей деформации.

При построении прогностической модели использовались экспериментальные данные, включающие параметры микроструктуры (объёмная доля и размер α-фазы) в зависимости от условий деформации (температура, степень деформации и скорость деформации). С помощью метода линейной регрессии были получены уравнения прогноза эволюции микроструктуры Ti6Al4V при горячей деформации.

Сравнение экспериментальных данных и расчетов модели показало, что предложенная модель обладает высокой точностью и достоверностью.

6. Развитие областей применения Ti6Al4V

С развитием науки и техники титан и его сплавы привлекают всё больше внимания благодаря высоким механическим свойствам, отличной коррозионной стойкости, хорошей биосовместимости и модулю упругости, близкому к человеческой кости. Это делает титан востребованным материалом для медицинских имплантатов.

Применение титана в медицинской имплантологии началось ещё в 1950-х годах, при этом основным материалом был сплав Ti6Al4V. По сей день Ti6Al4V остаётся основным титановым сплавом для имплантатов, используемым во всём мире.

Кроме того, благодаря своим уникальным свойствам, титановые сплавы находят всё более широкое применение в автомобильной промышленности. В частности, в гоночных и спортивных автомобилях седла клапанов изготавливаются из Ti6Al4V, и ежегодно производится более 250 000 единиц. Такие компоненты весом на 10–12 граммов легче, чем аналогичные изделия из стали, что способствует снижению массы двигателя, увеличению скорости и снижению расхода топлива.