ВИАМ/1993-201366

Разработка и применение новых конструкционных свариваемых сплавов в авиационной промышленности А.Г. Братухин кандидат технических наук К.А. Ющенко член-корреспондент АН Украины И.С. Полькин доктор технических наук Е.Б. Качанов доктор технических наук

Июнь 1993

Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП

«ВИАМ» ГНЦ РФ) – крупнейшее российское государственное

материаловедческое предприятие, на протяжении 80 лет

разрабатывающее и производящее материалы, определяющие

облик современной авиационно-космической техники. 1700

сотрудников ВИАМ трудятся в более чем 30 научно-

исследовательских лабораториях, отделах, производственных

цехах и испытательном центре, а также в 4 филиалах

института. ВИАМ выполняет заказы на разработку и поставку

металлических и неметаллических материалов, покрытий,

технологических процессов и оборудования, методов защиты

от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов,

полуфабрикатов и изделий на их основе. Работы ведутся как по

государственным программам РФ, так и по заказам ведущих

предприятий авиационно-космического комплекса России и

мира.

В 1994 г. ВИАМ присвоен статус Государственного

научного центра РФ, многократно затем им подтвержденный.

За разработку и создание материалов для авиационно-

космической и других видов специальной техники 233

сотрудникам ВИАМ присуждены звания лауреатов различных

государственных премий. Изобретения ВИАМ отмечены

наградами на выставках и международных салонах в Женеве и

Брюсселе. ВИАМ награжден 4 золотыми, 9 серебряными и 3

бронзовыми медалями, получено 15 дипломов.

Возглавляет институт лауреат государственных премий

СССР и РФ, академик РАН, профессор Е.Н. Каблов.

Статья подготовлена для опубликования в

журнале «Автоматическая сварка», № 11, 1993 г.

Электронная версия доступна по адресу: www.viam.ru/public

Разработка и применение новых конструкционных свариваемых сплавов в авиационной промышленности

А.Г. Братухин1, К.А. Ющенко2, И.С. Полькин3, Е.Б. Качанов4

1 Роскомоборонпром, г. Москва 2 Институт электросварки им. Е.О. Патона АН Украины, г. Киев 3 АО «Всероссийский институт легких сплавов», г. Москва 4 Всероссийский институт авиационных материалов, г. Москва

Ключевые слова: свариваемые сплавы, алюминиевые, титановые,

никелевые, алюминийлитиевые, сварные соединения, структура,

механические свойства, жаропрочность, Россия, Украина.

Совершенствование авиационно-космической техники предполагает

обязательное развитие двух взаимосвязанных направлений: создание новых

материалов и разработку процессов их соединения в неразъемные

конструкции. Чем ответственнее функциональные задачи, которые ставятся

перед новыми летательными аппаратами, тем более совершенными должны

быть материалы, применяемые в конструкциях, что выдвигает еще более

сложные проблемы перед специалистами в области их соединения.

Перспективный анализ (до 2000–2010 гг.) использования

конструкционных материалов в летательных аппаратах свидетельствует о

том, что и в двигателях, и в планере около 80% объема составляют

металлические материалы, основные из которых – сплавы на основе

алюминия, титана, магния, железа, никеля.

Главная тенденция развития новых материалов как для планера, так и для

двигателя основана на двух принципах: повышении прочностных или

жаропрочных характеристик материала, а также снижении плотности сплава,

что в обоих случаях увеличивает значение удельной прочности (σв/γ –

отношение прочности к плотности). Повышение указанных характеристик

базируется на усложнении химического состава, режимов термической

обработки и других технологических приемах, приводящих к снижению

пластических свойств материалов. Создание неразъемных конструкций из

материалов такого типа является крупной научной и технологической

проблемой. Принимая во внимание, что указанные конструкции должны

работать с очень высокой степенью надежности в весьма сложных условиях

эксплуатации, ее решение представляет собой важное самостоятельное

научное направление.

Ниже рассматриваются основные тенденции развития алюминиевых,

титановых, никелевых сплавов, применяемых в авиационной

промышленности.

Кроме бериллия, который весьма токсичен, литий является единственным

элементом, понижающим плотность при одновременном повышении модуля

упругости алюминиевых сплавов. Увеличение массовой доли лития в

алюминиевом сплаве на 1% уменьшает плотность в среднем на 3% и

повышает модуль Юнга на 6%. Алюминиевые литийсодержащие сплавы

разрабатываются преимущественно для применения в конструкциях, где

уменьшение массы может обеспечить экономию топлива. В результате

исследований установлено, что литийсодержащие алюминиевые сплавы

могут значительно уменьшить массу изделия. Применение сплава Al–3% Li

позволяет облегчить изделие на 10%, а при изменении его конструкции –

даже до 16%. Все это дает возможность резко повысить технико-

экономические характеристики целого ряда изделий. Так, уменьшение массы

самолета на 454 г снижает топливные расходы приблизительно на

250 долларов в течение срока его эксплуатации.

На рис. 1 приведены сравнительные удельные характеристики

свариваемых и не свариваемых алюминийлитиевых сплавов по сравнению с

их аналогами, применяемыми в настоящее время. Несмотря на несколько

пониженные характеристики пластичности, существенные преимущества

новых сплавов по жесткости и временному сопротивлению разрыву

очевидны.

Рисунок 1. Сравнительная диаграмма свойств алюминийлитиевых сплавов

марок 1420, 1460 и 2219 (а) и традиционных алюминиевых сплавов марок 1450, 7075, 1440

При разработке процессов сварки алюминийлитиевых сплавов

необходимо учитывать специфику строения оксидных пленок на металле и

наличие в поверхностном слое полуфабриката различных соединений лития,

образующихся в процессе металлургического производства. Для получения

соединений без пор необходимо обеспечить гарантированный съем

поверхностного слоя, толщина которого зависит от температуры

изготовления полуфабрикатов.

Экспериментами установлено, что при температурах закалки 450–460°C

необходим съем металла на глубину не менее 0,15–0,20 мм; при 420–430°C –

на глубину не менее 0,08–0,12 мм; при температурах не более 400°C – на

глубину не менее 0,05 мм.

Свариваемость и механические свойства, служебные характеристики

сварных соединений, стойкость против образования горячих трещин в

большой степени зависят от применяемого присадочного материала. В

качестве примера в табл. 1 приведены присадочные материалы, которые

обеспечивают плотную, мелкозернистую структуру сварных соединений

сплава 1420.

Таблица 1.

Свойства сварных соединений сплава 1420 Марка

присадочной проволоки

Акр, мм/мин

σв, МПа α, град ан, Дж/см2 шов зона

сплавления Св-АМг63 5,9 320–340 60–70 8–12 3–8 Св-01597 7,2 340–360 65–75 10–20 5–10

В настоящее время в странах СНГ освоен достаточно большой сортамент

полуфабрикатов и изделий из алюминийлитиевых плит, штампованных

заготовок, прутков, листов, профилей. На рис. 2 показано применение сплава

1420 в конструкции сверхзвукового самолета МиГ-29. Повышенное

внимание авиастроителей всего мира к алюминийлитиевым сплавам говорит

о том, что спрос на изделия из них будет непрерывно возрастать (рис. 3).

Однако сдерживающим фактором в широком распространении этих сплавов

остается достаточно высокая цена, которая, безусловно, будет снижаться при

расширении объемов производства.

Рисунок 2. Отсек сварного бака самолета МиГ-29, выполненного

из алюминийлитиевого сплава 1420 (стрелками указаны шпангоуты)

Рисунок 3. Перспектива развития производства полуфабрикатов

алюминийлитиевых сплавов в России

В странах СНГ постоянно увеличивается производство титана (рис. 4).

Созданы крупные предприятия по изготовлению титановой губки и самого

широкого профиля полуфабрикатов из различных титановых сплавов.

В табл. 2 показан сортамент полуфабрикатов, выпускаемых

металлургическими заводами, комбинатами, объединениями России.

Рисунок 4. Динамика производства полуфабрикатов

титановых сплавов в России

Таблица 2.

Классификация титановых сплавов и виды титановых полуфабрикатов в России

Тип сплавов σв, МПа Виды полуфабрикатов пластины,

листы профили поковки,

штампо-ванные

заготовки

трубы прутки, балки

кольца проволока

Нелегированный титан BT1-00, ВТ-00

300–500 + + + + + + +

Сплавы средней прочности ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4, ВТ6С

500 + + + + + + + 1000 + + + + + + –

Высокопрочные сплавы ВТ6, ВТ14, ВТ22

900–1250

+ + + + + + –

Суперсплавы ВТ31, ВТ9, ВТ18, ВТ20, ВТ25

950 – – + + + + – 1250 + + + + + + –

Литейные сплавы BT5Л, ВТ20Л

700–950 Формовое литье

Примечание. Здесь «+» – сплав применяется, «–» – не используется.

В настоящее время используется более 50 различных марок титановых

сплавов. Наиболее широко применяемые из них приведены в табл. 3.

Таблица 3.

Титановые сплавы Система Марка σв, МПа α-сплавы ВТ1-00 300–400

ВТ1-0 400–550 ВТ5-1 800–1000

Псевдо-α-сплавы OT4-0 500–650 ОТ4-1 600–750 АТ-3 950–1150 ВТ20 950–1150 ВТ25 1050–1250

α+β-мартенситные сплавы ВТ6 850–1000 ВТ3-1 1000–1200 ВТ8 1000–1200 ВТ9 1050–1250 ВТ14 900–1050 ВТ16 850–950 ВТ23 1050 (1200*)

α+β-сплавы переходного типа

ВТ22 1100 (1400*) ВТ30 800 (1200*)

Псевдо-β-сплавы ВТ15 800 (1300*) ТС6 800 (1300*)

β-сплавы 4201 900 * После закалки и старения.

Не останавливаясь подробно на преимуществах основных групп сплавов,

следует отметить, что широко используются сплавы с прочностью от 400 до

1400 МПа, в том числе способные длительно работать при температурах до

600°C, и сплавы, обладающие выдающейся коррозионной стойкостью и

памятью формы. Если говорить об особенностях отечественной технологии

производства полуфабрикатов, которую можно рассматривать как предмет

обсуждения с производителями титана, то нужно остановиться на

следующих основных моментах.

Производство прессованных электродов

Некоторые шихтовые материалы (титановая губка, подготовленные

отходы и легирующие элементы) непрерывно прессуются в расходуемые

электроды (рис. 5) необходимой длины и диаметра.

Рисунок 5. Прессованные электроды

Гарнисажная плавка титановых сплавов

Наряду с развитием традиционных методов, которые в настоящее время

обеспечивают удовлетворение необходимых требований по химическому

составу металла, однородности, отсутствию включений, разработан метод

гарнисажной плавки с расходуемым гарнисажем. Он имеет следующие

преимущества:

– возможность введения до 100% отходов различных размеров;

– исключение необходимости прессования расходуемых электродов;

– возможность плавки слитков из сплавов с высоким содержанием

тугоплавких элементов;

– повышение однородности литого материала;

– исключение возможности попадания включений низкой и высокой

плотности;

– повышение производительности процесса плавки.

В настоящее время имеются печи, позволяющие сливать до 5 т металла.

Получение титановой фольги методом испарения и конденсации

Создана промышленная установка по производству фольги из титана и

его сплавов методом испарения и конденсации. Эта установка позволяет

изготавливать фольгу толщиной от 10 до 50 мкм и шириной 400 мм для

производства сотовых конструкций и других целей. Изготавливаются также

высококачественные порошки из титановых сплавов (табл. 4) с различным

уровнем прочности и жаропрочности.

Таблица 4.

Механические свойства порошковых титановых сплавов Марка сплава σв, МПа δ, %

ВТ5-1кт ≥1400* ≥8 ВТ22 ≥1250 ≥6

ВТ25УП ≥1250** 8 * Температура испытания – 253°С.

** Для сплава ВТ25УП значение 550100σ =400 МПа.

Высокий уровень свойств изделий из порошковых материалов позволяет

использовать их в виде деталей сложной формы с тонкими стенками (рис. 6).

При этом в фасонных отливках из титана достигаются свойства, близкие к

свойствам деформируемых полуфабрикатов. Однако существует проблема

сварки таких материалов.

Рисунок 6. Образцы сложных деталей, полученных

методом порошковой металлургии

Титановые сплавы широко распространены в авиационной технике, их

применение планируется расширять и в самолетах нового поколения. Так, в

планере дальнемагистрального самолета Ил-96-300 титановые сплавы

используются в узлах шасси, стенках силовых шпангоутов мотогондолы,

силовых кронштейнах фюзеляжа в шассийных отсеках, тонкостенном

сварном трубопроводе СКВ диаметром 80–160 мм, в листовых деталях

планера (подкладки, фитинги, коробки), в штампованных заготовках для

силовых узлов, в других деталях арматуры из прутков, в цельнотянутых

трубах гидравлических систем, в сварочной проволоке и для заклепок. При

этом применяются следующие сплавы и виды полуфабрикатов: ОТ4 – листы;

ВТ1-0 – лента; ВТ64 – фольга; ВТ14 – профили штамповки; ВТ22 – плиты;

ВТ3-1 – прутки; BT-Л – литье; ПТ7Ма – трубы.

Благодаря прекрасной свариваемости титановых сплавов, их

использование в сварном варианте конструкций продолжает увеличиваться.

На рис. 7 представлена деталь шасси транспортного самолета Ил-76

грузоподъемностью 50 т из высокопрочного титанового сплава, сваренная из

трех элементов.

Рисунок 7. Элемент самолетной конструкции, изготовленный сваркой

трех штампованных заготовок из титанового сплава ВТ22

В Авиационном научно-техническом комплексе им. А.Н. Туполева

разработана автоматизированная установка для сварки центроплана

электронным лучом в вакууме с размерами рабочей камеры 24×8 м.

Жаропрочные никелевые сплавы широко используются в сварных

конструкциях ГТД, которые способны длительное время работать при

высоких температурах (свыше 550–650°С) с одновременным воздействием

агрессивной среды. В зависимости от состава и структуры эти сплавы можно

классифицировать как жаропрочные гомогенные и жаропрочные

дисперсионно-твердеющие.

К жаропрочным гомогенным сплавам относятся никельхромовые,

имеющие аустенитную структуру γ-твердого раствора, которая может быть

упрочнена молибденом, вольфрамом и ниобием (табл. 5).

Таблица 5.

Химический состав никелевых сплавов Марка сплава Массовая доля элементов, %

С Мn Si Cr Со Мо W Nb Ti Al Fe другие элементы

не более не более ХН78Т (ЭИ435)

0,12 0,7 0,8 19–22 – – – – 0,15–0,35

≤0,5 6 –

ХН75МБТЮ (ЭИ602)

0,08 0,4 0,8 19–22 – 1,8–2,3

– 0,9–1,3

0,35–0,75

0,35–0,75

8 –

ХН60ВТ (ЭИ868)

0,10 0,5 0,8 23,5–26,5

– – 13–16 – 0,30–0,70

≤0,50 4 –

ХН67ВМТЮ (ЭП202)

0,08 0,5 0,6 17–20 – 4,0–5,0

4–5 – 2,20–2,80

1,00–1,50

2 –

ХН77ТЮР (ЭИ437Б)

0,07 0,4 0,6 19–22 – – – – 2,40–2,80

0,60–1,00

1 0,070 Cu; 0,001 Рb

ХН56ВМТЮ (ЭП199)

0,10 0,5 0,6 19–22 – 4–6 9–11 – 1,10–1,60

2,10–2,60

4 0,008 В

ХН50МВКТЮР (ЭП99)

0,10 0,4 0,5 18–22 5–8 3,5–5,0

6–8 – 1,00–1,50

2,50–3,50

5 0,005 В; 0,002 Се

Поскольку склонность к трещинам сварных соединений дисперсионно-

твердеющих никелевых сплавов определяется главным образом объемными

напряжениями, возникающими при выделении из твердого раствора γ'-фазы,

предложены графические зависимости оценки склонности сплавов к этому

виду разрушения от содержания в них титана и алюминия. В соответствии с

предлагаемой классификацией эти сплавы можно разделить на три группы.

К первой относятся слабостареющие сплавы с содержанием γ'-фазы не

более 3–5%, которые не склонны к образованию трещин при термической

обработке.

Вторую группу составляют сплавы с содержанием γ'-фазы не более

18–20%, что соответствует 1,5–3,6% алюминия и 2–5% титана. Сплавы этой

группы характеризуются умеренной склонностью к образованию трещин.

В третью группу входят высокожаропрочные никелевые сплавы,

содержащие более 20–25% γ'-фазы, что соответствует количеству алюминия

более 3,6% и титана свыше 5%. Для снижения склонности к образованию

трещин при термообработке сварных соединений сплавов этой группы

(ЭП617, ЭП742 и др.) необходимо применять длительное многоступенчатое

перестаривание.

В последние годы наибольший интерес у конструкторов авиационных

двигателей вызывают порошковые никелевые сплавы. Благодаря высоким

скоростям кристаллизации при их получении возникает возможность

значительно увеличить содержание γ'-фазы (более 60%) за счет легирования

и тем самым повысить прочностные свойства никелевых сплавов как при

комнатной, так и при повышенной температуре.

Интерес конструкторов к новым сплавам непрерывно растет, и поэтому

возможно, что количество дисков из порошковых сплавов в двигателях

гражданской авиации будет ежегодно увеличиваться (рис. 8).

Рисунок 8. Диаграмма производства никелевых дисков,

получаемых методом порошковой металлургии

Работы металловедов позволили на основе технологии металлургии

гранул создать новые сплавы, которые за счет рационального легирования

имеют более высокие уровни свойств, чем те, которые сейчас используются в

странах СНГ и в США (табл. 6). Новые сплавы дают возможность получить

уровень длительной прочности при 650 и 750°C, еще не достигнутый в

других сплавах.

Разработка новых сплавов на основе алюминия, титана, никеля, а также

способов получения неразъемных соединений повышенной надежности

расширяет возможности конструкторов авиационной техники в создании

нового поколения летательных аппаратов.

Таблица 6.

Механические свойства гранульных никелевых сплавов при 20°C Марка сплава σв, МПа σ0,2, МПа δ, % ψ, % Прочность на разрыв

650100σ , МПа 700

100σ , МПа ЭП741П 1250 800 13 15 900 600

ЭП741мП 1300–1400 850–970 13–15 15 950–1000 650 ЭП962П 1500 1100 10 12 1050 – ЭП962П 1700 1300 10 12 1100 680–700

ASTROLOU* 1350 900 15 18 – 563 ( 73223σ )

RENE95* 1610 1260 10 12 1050 ( 65050σ ) –

MERL 1450 1010 15 15 – 682 ( 73223σ )

IM100* 1500 1100 10 12 – 750 ( 73423σ )

* Сплавы, используемые в США.

Однако повышенные требования к качеству неразъемных соединений и к

сплавам, из которых они изготавливаются, выдвигают перед

материаловедами и сварщиками множество сложных задач, для решения

которых необходимо объединение усилий исследователей различных стран.