Сплав ВТ21Л

Сплав ВТ21Л — общая характеристика

ВТ21Л — высокопрочный литейный титановый сплав системы Ti–Al–Zr–V–Mo–Cr, разработанный для изготовления фасонных отливок ответственного назначения. Сплав регламентируется стандартом ОСТ 1-90060-92. По структуре в отожженном состоянии ВТ21Л относится к классу псевдо-α-сплавов: основу составляет α-фаза (ГП-решётка) с незначительным количеством β-фазы (не более 5 %), обусловленным присутствием β-стабилизаторов — ванадия, молибдена и хрома.

Микроструктура отливок из ВТ21Л представлена крупными макрозёрнами с пластинами α-фазы внутри них, что характерно для литейных титановых сплавов этого класса. Единственным видом термической обработки является отжиг: полный при 800 °С в инертной атмосфере или неполный при 600 °С для снятия остаточных напряжений.

Химический состав сплава ВТ21Л

Химический состав ВТ21Л по ОСТ 1-90060-92 приведён в таблице ниже. Титан является основой сплава; его процентное содержание дано приблизительно.

Элемент	Содержание, %
Титан (Ti)	83,8–88,8 (основа)
Алюминий (Al)	5,8–7,2
Цирконий (Zr)	4,0–6,0
Ванадий (V)	0,8–1,5
Молибден (Mo)	0,4–1,0
Хром (Cr)	0,2–0,5

Сумма прочих (не указанных в таблице) примесей — не более 0,30 %.

Роль легирующих элементов

Алюминий — основной упрочнитель и α-стабилизатор: повышает прочность, жаропрочность и модуль упругости сплава. Цирконий — нейтральный упрочнитель, растворяющийся как в α-, так и в β-фазе; повышает прочность при незначительном влиянии на температуру полиморфного превращения. Ванадий, молибден и хром — β-стабилизаторы, присутствующие в небольших количествах; обеспечивают формирование псевдо-α-структуры и дополнительно повышают прочность.

Механические свойства ВТ21Л

Гарантируемые механические свойства сплава ВТ21Л при температуре 20 °С:

Параметр	Значение
Предел кратковременной прочности (σв)	не менее 1000 МПа
Относительное удлинение (δ5)	не менее 4 %

По прочности ВТ21Л превосходит наиболее распространённые литейные титановые сплавы ВТ5Л (σ_в ≥ 700 МПа) и ВТ6Л (σ_в ≥ 830 МПа), однако уступает им по пластичности. Сплав обладает удовлетворительной свариваемостью.

Литейные и технологические свойства

Литейные титановые сплавы в целом характеризуются хорошей жидкотекучестью, малой склонностью к газовой пористости и небольшой линейной усадкой (0,85–1,2 %). Однако ВТ21Л, будучи комплексно легированным, имеет ряд технологических особенностей, которые необходимо учитывать при проектировании отливок.

Присутствие нескольких легирующих элементов (Mo, Cr, Zr) расширяет интервал кристаллизации и увеличивает вязкость жидкого металла, из-за чего жидкотекучесть ВТ21Л ниже, чем у однокомпонентных сплавов типа ВТ5Л. Сплав склонен к образованию усадочной рыхлости, что накладывает ограничения на сложность геометрии отливок. По данным специализированной литературы, ВТ21Л преимущественно используется для отливки деталей относительно простой конфигурации.

Выплавка ВТ21Л осуществляется вакуумно-дуговым переплавом. Литьё титановых сплавов, включая ВТ21Л, производится в графитовые формы в вакууме. Для повышения качества отливок и устранения внутренних дефектов (микропористости, усадочных раковин) применяется горячее изостатическое прессование (ГИП).

Применение сплава ВТ21Л

Сплав ВТ21Л предназначен для изготовления фасонных литых деталей, работающих при повышенных нагрузках в конструкциях ответственного назначения. Основные области применения — авиационное и космическое машиностроение. Из ВТ21Л производят литые корпусные детали, кронштейны, элементы конструкций летательных аппаратов и другие детали, к которым предъявляются требования по высокой удельной прочности.

Сочетание высокой прочности (σ_в ≥ 1000 МПа), низкой плотности титановой основы и удовлетворительной свариваемости позволяет использовать ВТ21Л для снижения массы ответственных конструкций по сравнению со стальными аналогами.

Близкие литейные титановые сплавы

Среди отечественных литейных титановых сплавов к ВТ21Л наиболее близки следующие марки:

Марка	Класс	σв, МПа	Особенности
ВТ20Л	Псевдо-α	≥ 900	Система Ti–Al–Zr–V–Mo, работа до 500 °С
ВТ9Л	α + β	≥ 930	Система Ti–Al–Mo–Zr–Si, жаропрочный
ВТ40Л	Псевдо-α	≥ 1030	Экономнолегированный, упрочнение элементами внедрения (O, C)

Зарубежные марки стандарта ASTM с полностью идентичным составом отсутствуют.

Форма поставки

ВТ21Л поставляется в виде фасонных отливок. Габариты, масса и допуски определяются конструкторской документацией на конкретное изделие и согласовываются с заказчиком. Отливки могут подвергаться горячему изостатическому прессованию и отжигу в соответствии с требованиями стандарта.

Нормативная документация

Химический состав и требования к свойствам сплава ВТ21Л регламентируются стандартом ОСТ 1-90060-92 «Сплавы титановые литейные. Марки».