Титановый круглый пруток Ti-1023

Титановый круг и заготовки из Ti-1023 (Ti-10V-2Fe-3Al, UNS R56410) представляют собой титановый сплав, близкий к бета-типу, поставляемый в виде порожнистых заготовок для ковки и обработанных прутков в соответствии с требованиями к сплавам и плавкам, изложенными в стандартах AMS 4983 и AMS 4984, с пределом прочности на разрыв в диапазоне от 970 МПа в отожженном состоянии до 1 193–1 260 МПа (173–183 кси) в состоянии после термообработки и старения. Данный сплав является основным материалом, указанным в технической документации для главной стойки шасси самолета Boeing 777, и широко применяется для изготовления критически важных поковок планера и конструкционных элементов, подверженных высокоцикловой усталости, где требуются превосходная способность к глубокой закалке и возможность ковки с получением формы, близкой к конечной.

Краткая техническая характеристика

Что такое титан Ti-1023?

Ti-1023 (Ti-10V-2Fe-3Al) — это титановый сплав, находящийся в состоянии, близком к бета-фазе, с метастабильной бета-фазой, содержащий номинально 10 wt% ванадия, 2 wt% железа и 3 wt% алюминия, с плотностью 4,65 г/см³ и температурой перехода в бета-фазу примерно 800 °C (1 472 °F).

Первоначально разработанный компанией TIMET (Titanium Metals Corporation) и выпускавшийся под торговым названием TIMETAL 10-2-3, в начале 1970-х годов этот сплав был допущен к применению в аэрокосмической отрасли и стал основным конструкционным сплавом для главной шасси самолета Boeing 777 — области применения, требующей прочного упрочнения по всему сечению крупных профилей, чего не могут обеспечить традиционные альфа-бета-сплавы, такие как Ti-6Al-4V. Замена стальных деталей из стали 4340M на поковки из Ti-1023 в главном шасси самолета 777 позволила снизить вес системы примерно на 270 кг.

Основные отличительные особенности:

• Глубокая закаливаемость: Поковки сечением до примерно 100 мм (4 дюйма) могут подвергаться сквозной закалке с помощью термообработки в растворе и старения (в соответствии с условиями AMS 4986 / AMS 4987), что позволяет изготавливать конструкционные поковки с толстыми стенками
• Возможность ковки с получением детали, близкой к конечной форме: Широкий диапазон температур горячей штамповки этого сплава позволяет сократить затраты на удаление материала и механическую обработку по сравнению с альтернативными высокопрочными титановыми сплавами
• Высокая удельная прочность: Титан Ti-1023, прошедший растворительную обработку и выдержку, достигает минимального предела прочности при растяжении 1 193 МПа (173 кси) в соответствии со стандартом AMS 4984 при плотности 4,65 г/см³, что по соотношению прочности к весу значительно превосходит показатели стали
• Сохранение метастабильной бета-фазы: Высокое содержание ванадия препятствует образованию мартенсита при закалке, что позволяет осуществлять контролируемое преципитационное упрочнение посредством старения

Ti-1023 также обозначается как TB6 в соответствии с китайским национальным стандартом (GB/T 2965) и имеет номер UNS R56410. Для этого сплава не существует “номера марки” по стандарту ASTM (аналогичного маркам CP 1–4); технические условия на продукцию полностью регулируются системой AMS.

Химический состав

Химический состав Ti-1023 в соответствии со стандартом AMS 4984 (в массовых процентах):

Содержание алюминия стабилизирует альфа-фазу и обеспечивает упрочнение за счет твердого раствора; ванадий является основным стабилизатором бета-фазы и определяет закаливаемость; железо выступает в качестве дополнительного стабилизатора бета-фазы, оказывая особенно сильное влияние на температуру начала мартенсита, в связи с чем содержание железа является наиболее строго контролируемой величиной в спецификации сплава.

Механические свойства

Свойства Ti-1023 в значительной степени зависят от условий термообработки. Четыре спецификации AMS для ковки (4983, 4984, 4986, 4987) определяют различные комбинации прочности и вязкости, достигаемые за счет изменения температур старения кованых деталей.

Отжиганое / термообработанное состояние

Характеристики, измеренные на прутке/заготовке перед окончательным старением, — типичные для материала, поставляемого для последующей ковки и термообработки:

Состояние по стандарту AMS 4984 — предел прочности (173 кси)

Поковки, прошедшие термообработку в растворе и выдержку: выдержка при температуре 482–510 °C (900–950 °F), максимальный размер сечения 76 мм (3 дюйма):

AMS 4986 / AMS 4987. Требования — повышенная вязкость

Для более толстых сечений и конструкций, устойчивых к повреждениям (старение при температуре 510–593 °C, максимальное сечение 102 мм / 4 дюйма):

Стандартные параметры термообработки:

• Обработка раствором: при температуре на 28–56 °C (50–100 °F) ниже температуры бета-транзуса (~800 °C), не менее 30 минут, закалка в воде (для отрезков размером менее 25 мм / 1 дюйм допускается охлаждение на воздухе)
• AMS 4984: температура 482–510 °C (900–950 °F) в течение 8 часов, охлаждение на воздухе
• AMS 4986: температура 510–538 °C (950–1 000 °F) в течение 8 часов, охлаждение на воздухе
• AMS 4987: температура 566–593 °C (1 050–1 100 °F) в течение 8 часов, охлаждение на воздухе

Физические свойства

Доступные размеры и допуски

Круглый пруток и заготовки из Ti-1023 поставляются в следующих стандартных конфигурациях. Изготовление изделий с нестандартными диаметрами и длиной реза возможна при соблюдении минимального объема заказа.

Диапазон диаметров

Длина

• Стандарт: 914–3 048 мм (36–120 дюймов)
• Удлиненная версия: до 6 000 мм (236 дюймов) по запросу
• Индивидуальная резка по длине: допуск ±1,6 мм

Параметры состояния

• Отпущенная (заготовка для ковки)
• Прошедшие термообработку и выдержку (требования к механическим свойствам по стандарту AMS 4984)
• В состоянии после прокатки с очищенной от окалины поверхностью

Ti-1023 против Ti-6Al-4V: выбор подходящего сплава

Ti-1023 и Ti-6Al-4V (марка 5) — это высокоэффективные титановые сплавы, применяемые в аэрокосмической отрасли, однако они предназначаются для удовлетворения различных конструктивных требований. Приведенное ниже сравнение охватывает ключевые критерии выбора для проектирования конструкций в аэрокосмической отрасли.

Когда следует указывать Ti-1023:

• Конструкционные поковки с толстыми стенками (шасси, переборки, рамы), требующие сквозной закалки на глубину до 100 мм
• Области применения, требующие предела прочности при растяжении (UTS) выше 1 100 МПа при приемлемой вязкости разрушения
• Программы ковки с полуготовой формой, в которых решающее значение имеют эффективное использование заготовки и снижение затрат на механическую обработку

Когда следует использовать Ti-6Al-4V:

• Более тонкие участки, где не требуется глубокая закаливаемость
• Области применения, требующие сварки плавлением или формовки листового металла
• Области применения, в которых вязкость разрушения имеет приоритет перед прочностью на разрыв

Приложения

Титановый круг и заготовки из сплава Ti-1023 предназначены для применения в критически важных конструкциях, где определяющими проектными ограничениями являются высокая прочность, малый вес и способность к закаливанию по сечению:

• Шасси самолета: Основной материал для узлов главной стойки шасси самолета Boeing 777; замена поковок из стали 4340M на поковки из Ti-1023 позволила снизить вес главной стойки шасси примерно на 270 кг. Также прошел сертификацию для использования в шасси военно-транспортного самолета C-17 Globemaster III.
• Основной каркас планера: Несущие конструкции, лонжероны, переборки и крепежные узлы в гражданских и военных самолетах, где требуется прочность на растяжение свыше 1 100 МПа
• Каркасы вертолетов: «Super Lynx» и аналогичные платформы с вращающимися крыльями — в частности, поковки головки главного ротора — в которых высокопрочный титан позволяет снизить вес основных динамических конструкций
• Сырье для ковки заготовок: Полуфабрикаты, полученные методом горячей штамповки с близкой к конечной формой, для производства кронштейнов, фитингов и конструктивных узлов в аэрокосмической отрасли; заготовка из Ti-1023 имеет более широкий диапазон температур горячей штамповки, чем у большинства альфа-бета-сплавов, что повышает возможности производства полуфабрикатов с близкой к конечной формой
• Детали, подверженные высокоцикловой усталости: Конструктивные элементы, подвергающиеся циклической нагрузке; материал Ti-1023, соответствующий требованиям стандарта AMS 4984, демонстрирует предел усталостной прочности около 945 МПа (137 кси) при 10⁷ циклов

Стандарты и сертификаты

Технические условия AMS на ковку сплава Ti-1023

Все четыре спецификации AMS для данного сплава распространяются на поковки. Прокат и заготовки поставляются в качестве исходного материала для ковки, соответствующего требованиям этих спецификаций в отношении химического состава сплава и условий плавки.

Дополнительные стандарты и идентификаторы

Система качества

Материал производится и поставляется в соответствии с системой управления качеством, сертифицированной по следующим стандартам:

• ISO 9001:2015
• AS9100, ред. D (Система управления качеством в аэрокосмической отрасли)

Ко всем поставкам прилагается сертификат заводских испытаний (MTC) в соответствии с EN 10204 3.1, который включает:

• Результаты химического анализа (по партиям/по сериям)
• Результаты механических испытаний (предел прочности при растяжении, предел текучести, относительное удлинение)
• Исследование твердости
• Сертификат соответствия применимым химическим требованиям AMS

Документация по первичному приемочному контролю (FAI) предоставляется по запросу.

Часто задаваемые вопросы

Что такое титановый сплав Ti-1023?

Ti-1023 — это титановый сплав, близкий к бета-фазе (метастабильная бета-фаза), с номинальным составом Ti-10V-2Fe-3Al (10 вес. % ванадия, 2 вес. % железа, 3 вес. % алюминия), UNS R56410. Первоначально разработанный компанией TIMET под торговым названием TIMETAL 10-2-3, он был создан для аэрокосмических поковок с толстыми стенками, требующих сквозного закаливания — свойство, которое альфа-бета-сплавы, такие как Ti-6Al-4V, не могут обеспечить при больших поперечных сечениях. Согласно китайскому национальному стандарту он также обозначается как TB6.

Какие спецификации AMS применяются к Ti-1023?

Все четыре спецификации AMS для Ti-1023 (AMS 4983, 4984, 4986 и 4987) относятся к поковкам. Спецификация AMS 4984 (предел прочности при разрыве не менее 173 кси, максимальное сечение 76 мм) чаще всего применяется для высокопрочных конструкций, таких как шасси. Стандарты AMS 4986 (160 кси, максимальное сечение 102 мм) и AMS 4987 (140 кси, максимальное сечение 102 мм) обеспечивают более высокую вязкость разрушения при более низкой прочности для конструкций, допускающих повреждения. Прокат и заготовки поставляются в качестве исходного материала для ковки, отвечающего требованиям этих спецификаций к химическому составу сплава и условиям плавки.

Для чего используется титан Ti-1023?

Ti-1023 в основном используется для изготовления шасси авиакосмической техники и критически важных конструкций планера. Наиболее часто упоминаемым примером применения является основное шасси самолета Boeing 777, где Ti-1023 заменил сталь марки 4340M и позволил снизить вес основного шасси примерно на 270 кг. В основных конструкциях военно-транспортного самолета C-17 Globemaster III и вертолета Super Lynx (поковки головки главного ротора) также используется Ti-1023. Этот сплав назначается везде, где одновременно требуются предел прочности на разрыв выше 1 100 МПа, способность к глубокой закалке толстых сечений и возможность ковки с получением формы, близкой к конечной.

Какова плотность Ti-1023?

Плотность Ti-1023 (Ti-10V-2Fe-3Al) составляет 4,65 г/см³ (0,168 фунта/куб. дюйм). Это значение немного выше, чем у Ti-6Al-4V (4,43 г/см³), что обусловлено высоким содержанием ванадия, но значительно более высокая прочность на разрыв этого сплава в выдержанном состоянии (1 193+ МПа против ~895 МПа (минимум) для Ti-6Al-4V согласно стандарту AMS 4928) обеспечивает превосходную удельную прочность при использовании в толстостенных несущих конструкциях.

В чём заключается разница между AMS 4984, AMS 4986 и AMS 4987?

Все три представляют собой спецификации по ковке стали Ti-1023. Они различаются по температуре старения и, как следствие, по соотношению прочности и вязкости разрушения. В спецификации AMS 4984 используется самая низкая температура старения (482–510 °C), что позволяет достичь максимальной прочности (минимальная предел прочности при растяжении — 173 кси, вязкость разрушения — 40 кси·√in) в сечениях до 76 мм. В стандарте AMS 4986 используется средняя температура старения (510–538 °C) для обеспечения баланса между прочностью (160 кси) и вязкостью разрушения (55 кси·√in) в сечениях до 102 мм. Для марки AMS 4987 используется самая высокая температура старения (566–593 °C), что обеспечивает наилучшую вязкость разрушения (80 кси·√in) при минимальном пределе прочности (140 кси) в сечениях до 102 мм.

Какова температура бета-трансуса Ti-1023?

Температура бета-транзуса Ti-1023 (Ti-10V-2Fe-3Al) составляет примерно 800 °C (1 472 °F). При термообработке растворением по стандарту AMS 4984 поковки выдерживаются при температуре на 28–56 °C (50–100 °F) ниже температуры бета-трансуса — обычно 744–772 °C — в течение не менее 30 минут, после чего их закаливают в воде для сохранения первичной альфа-фазы перед старением. Превышение температуры трансформации бета-фазы во время термообработки в растворе приводит к образованию полностью ламеллярной микроструктуры со сниженной усталостной прочностью.

Можно ли сваривать Ti-1023?

Ti-1023 в отожженном состоянии можно соединять методом GTAW (TIG) под защитой инертного газа; для конструкционных соединений предпочтительным методом является электронно-лучевая (EB) сварка. Ti-1023 в состоянии, прошедшем термообработку и старение (AMS 4984), как правило, не рекомендуется для сварки плавлением в конструктивных целях, поскольку зону термического влияния сварного шва невозможно подвергнуть повторному старению на месте для восстановления исходных механических свойств. Диффузионная сварка и сварка инерционным/фрикционным методом используются в специализированных программах соединения деталей для аэрокосмической отрасли.

Прутки/заготовки из Ti-1023 имеются в наличии или изготавливаются на заказ?

Стандартные диаметры в диапазоне 25,4–76,2 мм (1,0–3,0 дюйма) обычно поставляются в отожженном состоянии для оперативной отгрузки в качестве заготовки для ковки. Продукция большего диаметра и прутки, прошедшие обработку по технологии STA, как правило, поставляются по индивидуальному заказу со сроком изготовления от 4 до 12 недель в зависимости от диаметра и количества. Свяжитесь с отделом продаж, указав диаметр, длину, состояние и количество, чтобы узнать о текущей наличии и получить официальный ответ на запрос предложения.