Сплав ВТ18

Общие сведения о сплаве ВТ18

Сплав ВТ18 — жаропрочный деформируемый титановый сплав системы Ti–Al–Zr–Mo–Nb–Si с псевдо-α-структурой. Среди отечественных титановых сплавов он занимает особое место благодаря одному из самых высоких показателей жаропрочности: детали из ВТ18 способны длительно (до 500 ч) работать при температурах 550–600 °С и кратковременно — до 800 °С.

Марка ВТ18 нормирована отраслевым стандартом ОСТ1 90013-81 «Сплавы титановые. Марки» и предназначена в основном для деталей газотурбинных двигателей — дисков, лопаток и корпусных элементов компрессора. Точных зарубежных аналогов данного сплава нет.

Следует чётко разграничивать ВТ18 и ВТ18У — это два разных сплава с различным химическим составом. Сплав ВТ18У отличается пониженным содержанием алюминия и циркония, а также дополнительным легированием оловом, что делает его технологичнее при обработке давлением.

Химический состав сплава ВТ18 по ОСТ1 90013-81

Основой сплава является титан. Высокое содержание алюминия и циркония обеспечивает сопротивление ползучести и длительную прочность при повышенных температурах. Ниобий и молибден стабилизируют β-фазу и повышают жаропрочность. Кремний вводится для дополнительного упрочнения при высоких температурах.

Элемент	Содержание, %
Ti (титан)	Основа (~76,8–82,1)
Al (алюминий)	7,2–8,2
Zr (цирконий)	10–12
Nb (ниобий)	0,5–1,5
Mo (молибден)	0,2–1,0
Si (кремний)	0,05–0,18
Fe (железо)	не более 0,15
C (углерод)	не более 0,10
O (кислород)	не более 0,14
N (азот)	не более 0,05
H (водород)	не более 0,015
Прочие примеси (суммарно)	не более 0,30

Дополнительные требования к химическому составу

Допускается частичная замена молибдена вольфрамом в количестве не более 0,30 %, при этом суммарное содержание Mo + W не должно превышать верхней границы нормы для молибдена. Суммарное содержание молибдена и ниобия должно находиться в пределах 0,90–2,10 %. Содержание меди и никеля — не более 0,10 % (в сумме), в том числе никеля не более 0,08 %. Хром и марганец — не более 0,15 % (в сумме).

Структура и фазовый состав

ВТ18 относится к псевдо-α-сплавам. Основу его структуры составляет α-фаза (ГПУ-решётка), в которой присутствует незначительное количество β-фазы (ОЦК-решётка), стабилизированной молибденом и ниобием. Высокое содержание алюминия (α-стабилизатор) и циркония (нейтральный упрочнитель) обусловливает преобладание α-фазы и определяет жаропрочные свойства сплава.

Конкретная морфология структуры — пластинчатая, глобулярная или смешанная — зависит от режимов деформации и термической обработки. Характер микроструктуры напрямую влияет на соотношение прочности и пластичности полуфабрикатов.

Термическая обработка сплава ВТ18

Для сплава ВТ18 применяют два основных режима термической обработки:

Простой (одинарный) отжиг

Нагрев до 900–950 °С, выдержка 1–4 часа, охлаждение на воздухе. Этот режим обеспечивает оптимальное сочетание прочности и пластичности при комнатной температуре. Предел кратковременной прочности при 600 °С после простого отжига составляет около 670 МПа.

Двойной отжиг

Первая ступень: 900–980 °С, выдержка 1–4 часа, охлаждение на воздухе. Вторая ступень: 550–680 °С, выдержка 2–8 часов. Двойной отжиг позволяет существенно повысить сопротивление разрыву при 600 °С — до 770 МПа вместо 670 МПа после простого отжига. Это достигается за счёт дополнительного распада метастабильной β-фазы с образованием дисперсных частиц, упрочняющих матрицу.

Свойства сплава ВТ18

Механические свойства

Главное достоинство ВТ18 — сохранение высокой прочности при температурах до 600 °С. По длительной прочности и сопротивлению ползучести в этом температурном диапазоне сплав является одним из лучших среди отечественных титановых материалов.

Параметр	Значение	Примечание
σв при 600 °С (простой отжиг)	~670 МПа	Кратковременная прочность
σв при 600 °С (двойной отжиг)	~770 МПа	Кратковременная прочность
Рабочая температура (длительно)	550–600 °С	До 500 часов
Рабочая температура (кратковременно)	до 800 °С	Детали разового действия

Пластические свойства и технологичность при обработке давлением у ВТ18 ниже, чем у сплавов типа ОТ4. Это обусловлено высоким суммарным содержанием алюминия и циркония, которое повышает жаропрочность, но ограничивает деформируемость. По этой причине сплав выпускается преимущественно в виде прутков, поковок и штамповок.

Физические свойства

Температура плавления сплава ВТ18 составляет ориентировочно 1620–1660 °С — ниже, чем у чистого титана (1668 °С), что объясняется влиянием легирующих элементов. Модуль упругости и коэффициент линейного расширения находятся в диапазонах, типичных для высоколегированных α-титановых сплавов.

Коррозионная стойкость

Как и большинство титановых сплавов, ВТ18 обладает высокой стойкостью к коррозии в атмосферных условиях, в морской воде и ряде агрессивных сред. Защитная плёнка оксида титана (TiO₂) обеспечивает пассивацию поверхности. Однако основным критерием выбора ВТ18 является не коррозионная стойкость, а именно жаропрочность.

Формы поставки сплава ВТ18

Из-за ограниченной технологической пластичности основными видами полуфабрикатов из ВТ18 являются:

Прутки титановые из сплава ВТ18

Прутки титановые круглого сечения поставляются в горячекатаном состоянии. Нормативная документация на прутки из титановых сплавов — ОСТ1 90006-86. Химический состав определяется по ОСТ1 90013-81. Конкретные размеры и допуски согласовываются с заказчиком.

Поковки и штамповки из сплава ВТ18

Поковки и штамповки — основная форма полуфабрикатов для деталей газотурбинных двигателей (диски компрессоров, штамповки лопаток). Нормативная база включает ГОСТ 26492-85 (прутки и заготовки из титановых сплавов), ГОСТ 7505-89 (штамповки), ГОСТ 19807-91 (марки титановых сплавов).

Область применения жаропрочного сплава ВТ18

Сплав ВТ18 разработан для авиационной и ракетно-космической промышленности. Основные области его применения:

Газотурбинные двигатели — диски компрессора низкого и среднего давления, лопатки, корпусные детали, кольца и детали статора, работающие при температурах до 550–600 °С в условиях длительных нагрузок.

Детали разового действия — элементы, испытывающие кратковременный нагрев до 800 °С (ракетная техника, отдельные узлы силовых установок).

Высокое сопротивление ползучести делает ВТ18 незаменимым там, где требуется стабильность размеров под нагрузкой при повышенных температурах в течение длительного времени. По совокупности жаропрочных характеристик сплав превосходит широко распространённые марки ВТ9 и ВТ3-1 при работе в верхнем температурном диапазоне.

Сравнение ВТ18 с близкими марками

Параметр	ВТ18	ВТ18У	ВТ9
Тип структуры	Псевдо-α	Псевдо-α	(α + β)
Al, %	7,2–8,2	6,0–7,5	5,8–7,0
Zr, %	10–12	3,0–5,0	0,5–2,0
Sn (олово), %	—	2,0–3,0	—
Рабочая t (длит.)	550–600 °С	550–600 °С	до 500 °С
Технологичность	Ограниченная	Лучше, чем ВТ18	Хорошая
Основные полуфабрикаты	Прутки, поковки, штамповки	Прутки, поковки, штамповки, листы	Прутки, поковки, штамповки, диски

Сплав ВТ18У по жаропрочным свойствам не уступает ВТ18 и рекомендуется для тех же условий эксплуатации. При этом ВТ18У несколько технологичнее за счёт пониженного содержания циркония и алюминия, что позволяет получать из него не только прутки и поковки, но и листовой прокат.

Особенности работы с прокатом из сплава ВТ18

Обработка давлением

Деформация сплава ВТ18 проводится в горячем состоянии. Высокое содержание α-стабилизаторов (Al + Zr) сужает температурный интервал обработки и требует точного соблюдения температурных режимов при ковке и штамповке. Перегрев приводит к росту зерна и охрупчиванию, а недостаточный нагрев — к трещинообразованию.

Механическая обработка

Обрабатываемость резанием титановых сплавов псевдо-α-класса в целом удовлетворительная, однако требует соблюдения ряда условий: применения жёсткого инструмента из твёрдых сплавов, интенсивного охлаждения и умеренных скоростей резания. Титан склонен к налипанию на инструмент, что ускоряет износ.

Сварка

Сплав ВТ18 сваривается аргонодуговой сваркой в среде инертных газов (аргон, гелий) или в вакууме. Обязательна тщательная защита зоны шва и околошовной зоны от окисления. После сварки, как правило, необходим отжиг для снятия остаточных напряжений и стабилизации структуры.

Условия хранения и транспортировки

Полуфабрикаты из сплава ВТ18 хранят в закрытых складских помещениях, исключающих контакт с агрессивными средами и влагой. Несмотря на высокую коррозионную стойкость титана, длительное хранение во влажной среде может привести к поверхностному наводороживанию, что снижает пластичность и ударную вязкость. Транспортировка осуществляется в соответствии с общими требованиями к перевозке продукции из цветных металлов.