Фрактография, металлография и свойства титановых сплавов и диффузионно-сварных соединений

В. В. Пешков, А. Б. Булков, А. Б. Коломенский 
ФРАКТОГРАФИЯ, МЕТАЛЛОГРАФИЯ  
И СВОЙСТВА ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ  
И ДИФФУЗИОННО-СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ 
Монография  
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2022 

УДК 621.791.4:539.378.3:621.295 
ББК 34.641 
П23 
Р е ц е н з е н т ы :  
доктор технических наук, профессор Ткаченко Ю. С.; 
доктор технических наук, профессор Чертов Е. Д. 
(Воронежский государственный университет инженерных технологий) 
П23 
 
Пешков, В. В. 
Фрактография, металлография и свойства титановых сплавов и диффузионно- 
сварных соединений : монография / В. В. Пешков, А. Б. Булков, А. Б. Коломенский. – 
Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. – 328 с. : ил., табл.  
ISBN 978-5-9729-0780-9 
Рассмотрены некоторые титановые тонкостенные слоистые конструкции, применяемые в 
аэрокосмической технике. Приведены оригинальные методики фрактографических и металлографических исследований физико-химического состояния поверхностей, микроструктуры 
и топографии разрушения титановых сплавов и диффузионно-сварных соединений. Приведены закономерности влияния микроструктуры титановых сплавов на их высокотемпературную ползучесть, механические свойства и топографию поверхностей разрушения. 
Выявлены фрактографические признаки и кинетические закономерности формирования 
продуктов взаимодействия титана с остаточными газами вакуумированного пространства в 
условиях высокотемпературного нагрева. 
Для инженеров, работающих в области сварки титана. Может быть полезно аспирантам 
и магистрантам.
УДК 621.791.4:539.378.3:621.295 
ББК 34.641 
ISBN 978-5-9729-0780-9 
© В. В. Пешков, А. Б. Булков, А. Б. Коломенский, 2022  
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Создание новейших образцов авиационно-космической техники связано с решением проблем: снижения массы летательных 
аппаратов, повышения их эксплуатационных 
характеристик и надежности, а также изготовления эффективных систем звукопоглощения, охлаждения (или обогрева), бронезащиты и т. д. Эти проблемы могут во многом 
быть решены использованием для изготовления элементов планера летательных аппаратов и узлов их двигателей из титановых композиционных слоистых материалов, которые 
характеризуются высокой удельной прочностью в области температур до 500 °С и коррозионной стойкостью во многих агрессивных 
средах [1–11 и др.]. 
Исключительно важная роль в создании 
конструкций из композиционных титановых 
слоистых материалов принадлежит способу соединения между собой элементов этих материалов. Основным требованием, предъявляемым 
к процессу соединения, является обеспечение 
высокой прочности и надежности соединяемых 
тонкостенных элементов (заполнителя с несущими слоями) без потери их устойчивости. 
В соответствии с выводами ряда ведущих 
зарубежных фирм использование процесса 
диффузионной сварки в целях экономии металла, уменьшения массы и стоимости титановых конструкций сложной формы имеет большие потенциальные возможности. 
С применением диффузионной сварки изготовлены: для бомбардировщика В–1 элементы систем обдува лобового стекла, усилители шпангоута хвостовой части фюзеляжа, 
узлы крепления механизмов поворота крыла, 
балки крепления и рамы гондол двигателей, 
балки шасси, втулки несущего винта вертолетов и т.д. 
Диффузионная сварка предполагает нагрев 
свариваемых заготовок до достаточно высокой температуры (приблизительно 0,5–0,7  
от температуры плавления), приложение сжимающего давления и изотермическую выдержку. В качестве защитной среды используют вакуум или инертный газ. 
При изготовлении тонкостенных конструкций величина сжимающего давления, необходимая для развития процесса сварки, ограничена низким сопротивлением высокотемпературной деформации тонкостенных элементов  
в условиях сварки; роль деформации как фактора, интенсифицирующего формирование 
диффузионного соединения, уменьшается, поэтому особое значение приобретают физикохимические процессы, протекающие при 
нагреве и определяющие состояние, свойства и 
кинетику взаимодействия контактных поверхностей при сварке. 
В ходе отработки технологии диффузионной сварки и эксплуатации сварных конструкций приходится сталкиваться с задачей выявления причин разрушения сварных соединений. 
Один из путей решения этой задачи – металлографические и фрактографические исследования поверхностей зон соединения и изломов, 
образовавшихся при разрушении. Строение изломов отражает свойства материала в зоне разрушения, его способность к локальному сопротивлению зарождению и распространению трещины. Эти свойства при разрушении соединения по зоне сварки обусловлены в первую очередь степенью завершенности процесса формирования диффузионного соединения, а при разрушении по основному материалу – влиянием 
термодеформационного цикла сварки на исходные свойства металла. 
Однако, как показал опыт, такие физикохимические процессы как взаимодействие металла с газами, его деформация под действием 
внутренних и внешних напряжений, развитие 
процессов рекристаллизации, гетеро- и самодиффузии, протекающие на контактных поверхностях и в околостыковой зоне при диффузионной сварке, могут приводить к формированию в изломе сложной и многообразной 
фрактографической картины. Это затрудняет 
широкое применение данного метода в производственных условиях и требует проведения 
специальных исследований, направленных на 
создание эталонов типичных зон разрушения 
диффузионно-сварных соединений, которые 
должны отражать влияние таких факторов, как 
режимы диффузионной сварки, физико-химическое состояние контактных поверхностей, 
3 
 

при разрушении соединений и оценке на этой 
основе завершенности процесса диффузионной 
сварки. 
Авторы приносят искреннюю благодарность канд. техн. наук В. Н. Милютину за помощь, оказанную при проведении фрактографических исследований.  
исходная микроструктура металла, способы 
испытания соединения на строение изломов. 
Цель настоящей работы состояла в установлении взаимосвязи между свойствами, микроструктурой сварного соединения, физико-химическим состоянием контактирующих поверхностей и топографией изломов, образующихся 
4 

ТИТАНОВЫЕ СЛОИСТЫЕ КОНСТРУКЦИИ 
методом гибки с растяжением. Формообразование изгибом с растяжением осуществляется на гибочно-растяжных прессах с программным управлением. Возможности 
пластического 
формирова- 
ния таких трехслойных панелей во многом зависят от прочности соединения обшивок с заполнителем. В процессе формообразования из трехслойных панелей 
могут появляться такие браковочные признаки, как местное выпучивание внутреннего несущего слоя, смятие или недопустимый сдвиг заполнителя, что может 
приводить к отслоению несущих слоев  
и заполнителя. 
С ужесточением международных норм 
по шуму конструкции с однослойным заполнителем оказались недостаточно эффективными. Кроме того, эти ЗПК являются дискретными, т.е. поглощают только 
определенный спектр частот звуковых 
шумов. 
Поэтому в ряде случаев применяются 
сотовые панели ЗПК с двухслойным заполнителем (рис. 1.3, а), которые состоят 
из трех перфорированных обшивок (1), 
сплошной обшивки (2), двухслойного сотового заполнителя (3) и прокладок (4), 
разделяющих панели. 
Общая высота панели с двухслойным 
заполнителем не превышает 40 мм. Проведенные акустические испытания подтвердили их эффективность. Большое преимущество данного типа панелей заключается 
в том, что они являются широкополосными, т.е. способны поглощать шум в широком спектре частот. 
Основным недостатком данных панелей является то, что они содержат три перфорированные обшивки и прокладки, что 
увеличивает массу ЗПК. Решение задачи 
по снижению массы конструкции панели 
может быть достигнуто путем уменьшения количества перфорированных обшивок и ликвидации прокладок (рис. 1.3, б). 
1.1  Применение и способы изготовления 
 
Композиционные слоистые материалы представляют собой сочетание несущих слоев с заполнителем. Тонкостенные слоистые конструкции, изготавливаемые из этих материалов, это в большинстве случаев, конструкции большой протяженности с развитой поверхностью 
контактирования несущих слоев с заполнителем и представляющие собой сочетание повторяющихся однотипных соединений простейшей формы с малым 
сечением элементов. Такие конструкции 
могут иметь одно- и двухсторонние несущие слои, быть двухслойными и многослойными, плоскими и иметь кривиз- 
ну (рис. 1.1) [12]. 
Типичными представителями этого 
класса конструкций являются звукопоглощающие кожухи (ЗПК) авиационных двигателей, сопла жидкостных реактивных 
двигателей (ЖРД), несущие элементы мотогондолы, крылья ракет земля-воздух, 
выпускные окна ускорителей электронов, 
рабочие колеса (турбины и крыльчатки) 
турбонасосных агрегатов (ТНА), полые 
лопатки вентиляторов турбореактивных 
двигателей. 
Схема звукопоглощающей конструкции – конуса стекателя двигателя с однослойным заполнителем приведена на рис. 
1.2. Такая конструкция состоит из перфорированной обшивки (1), сплошной обшивки (3) и расположенного между ними 
сотового заполнителя (2). 
Заготовки сотового заполнителя получают в штампах, при этом высота ленты 
заполнителя выбирается в диапазоне  
10–25 мм. 
Соединение 
перфорированной 
и 
сплошной обшивок с сотовым заполнителем в настоящее время осуществляется 
контактной роликовой сваркой через отбортовку 
заполнителя 
по 
периметру 
ячейки. 
Полученным таким образом плоским 
панелям придают требуемую форму 
5 
 

Рис. 1.1. Тонкостенные слоистые конструкции 
Рис. 1.2. Схема конструкции конуса стекателя двигателя с однослойным заполнителем:  
1 – перфорированная обшивка, 2 – заполнитель, 3 – сплошная обшивка, 4 – кольцо 
а                         б 
Рис. 1.3. Варианты панелей ЗПК с двухслойным заполнителем: 
 1 – перфорированные обшивки, 2 – сплошная обшивка, 3 – заполнитель, 4 – прокладки
6 

 
Обшивки выполняются из листов сплава 
ВТ6ч толщиной 0,5–2,0 мм, сотовый заполнитель – из фольги сплава ВТ6чПС 
толщиной 0,08 мм, ячейка, заполнителя 
квадратная, со стороной а = 8 мм, 
Сотовые пакеты высотой 15 мм используются для получения противопожарных перегородок. На изделии были 
установлены сотовые противопожарные 
перегородки общей площадью 30 м2. Применение сотовых пакетов позволило снизить массу конструкции на 30 %, уменьшить трудоемкость механической обработки и сборочных работ на 40 %  
и повысить коэффициент использования 
металла (КИМ) при изготовлении конструкции до 0,7. 
На рис. 1.4 и 1.5 показаны оснастка для 
диффузионной сварки сотовой цилиндрической обечайки и образец диффузионносварной сотовой цилиндрической оболочки, полученной диффузионной сваркой. 
Испытания этих конструкций показали, 
что прочность диффузионно-сварного соединения обшивки с заполнителем на отрыв достигала 600–700 МПа, что в разы 
превышает прочность соединений, полученных контактной сваркой. О характере 
разрушения этих соединений после испытания на отрыв можно судить по данным, 
приведенным на рис. 1.6. 
Опытный образец пятислойной ЗПК 
(рис. 1.3, б), полученный диффузионной 
сваркой, приведен на рис. 1.7. 
Панель такой конструкции состоит  
из двух перфорированных обшивок (1), 
сплошной обшивки (2) и двух слоев сотового заполнителя (3). 
Однако получить готовую конструкцию по существующей технологии контактной роликовой сваркой не представляется возможным. Существенным недостатком применяемой технологии получения ЗПК является низкая прочность сварного соединения заполнителя с обшивками, которая не превышает 80 МПа при 
испытании на отрыв, что отрицательно 
сказывается на надежности и долговечности ЗПК. 
В связи с ужесточением требований к 
Нормам летной годности с 2017 года, 
определяемых международным стандартом ИКАО, особенно актуальными становятся вопросы совершенствования технологии изготовления звукопоглощающих 
сотовых конструкций. 
Большими потенциальными возможностями для создания титановых тонкостенных слоистых конструкций обладает диффузионная сварка [13–17 и др.]. Диффузионно-сварные плоские титановые трехслойные конструкции с сотовым заполнителем из фольги (į = 0,08 мм) впервые были 
использованы в отечественном самолетостроении в конструкции мотогондолы.  
В настоящее время освоена промышленная технология ДС плоских сотовых 
пакетов с габаритными размерами до 
2000×1000 мм и высотой 10–80 мм. 
 
 
Рис. 1.4. Оснастка для  
диффузионной сварки сотовой 
цилиндрической обечайки 
 из сплава ВТ6 с радиусом  
кривизны 200 мм 
Рис. 1.5. Образец диффузионно-сварной сотовой  
цилиндрической оболочки ‡ 160 мм, l = 200 мм, 
полученной вакуум-компрессионным методом:  
обшивка – сплав ВТбч, G = 0,8 мм;  
соты – сплав ВТбч ПС, G = 0,08 мм 
7 
 

а      
б 
Рис. 1.6. Характер разрушения трехслойной конструкции, полученной диффузионной (а)  
и контактной (б) сваркой после испытания на отрыв 
Рис. 1.7. Пятислойная звукопоглощающая конструкция (ЗПК), полученная диффузионной 
сваркой 
удаления оксидов с поверхности титана и 
его сплавов при пайке, а также для ускорения процесса диффузии меди в паяемый 
сплав пайку выполняют при температуре 
выше температуры превращения Įĺȕ. 
Вместе с тем в ȕ-фазе сплавы титана характеризуются повышенной склонностью к 
росту зерна, что в присутствии в них кислорода приводит к их охрупчиванию. Поэтому пайку сплава ОТ4 следует осуществлять при 1000 °С [18].  
Результаты испытаний изделий обнаруживают ряд недостатков соединений, 
полученных пайкой, основным из которых 
являются следующие: 
– образование в зоне соединений хрупкой фазы с повышенной микротрердостью 
и наличие непропаев; 
– при контрольно-выборочных испытаниях до разрушения (КВИ) узел всегда разрушается 
по 
поверхностям 
контакта, 
Сопло ЖРД представляет собой двухслойную 
оболочковую 
конструкцию  
(рис. 1.8), состоящую из внутренней оболочки с оребренной стенкой (2) и гладкой 
наружной оболочки (1). Коаксиально собранные оболочки в контакте образуют 
тракты охлаждения. 
При изготовлении двухслойных оболочковых конструкций (рис. 1.8) для соединения оболочек между собой применяется, 
например, 
капиллярная 
диффузионная 
пайка, при которой припои образуются в 
результате контактно-реактивного плавления паяемого металла с тонкими (порядка 
десятков микрометров) прослойками депрессантов, наносимых на соединяемые 
поверхности [18].  
Повышенная растворимость меди (используемой в качестве депрессанта) и примесей (кислорода, азота) в титановых 
сплавах имеет место в ȕ-фазе. Поэтому для 
8 

соединенным пайкой, с образованием зоны 
разрушения площадью до 104 мм2 и более; 
– при многократном нагружении узла
давление, при котором происходило его 
разрушении, снижалось до 8–21 МПа. Основной причиной снижения прочности соединения являлось зарождение и накопление микротрещин в местах образования интерметаллидных прослоек; 
– после пайки возможны осаждения и
запаи каналов межоболочковой полости, 
что приводит к нарушению теплового режима при работе узла и выходу его из 
строя. 
Рис. 1.8. Схема сопла ЖРД: 
1 – гладкая наружная оболочка; 2 – оребренная внутренняя оболочка 
Различия в материалах используемой 
фольги существенно влияют на эффективность и мощность энергетических установок.  
Параметры фольги (толщина, заряд 
ядер материала, плотность материала) рассчитываются исходя из допустимой потери энергии пучка по существующим зависимостям, приведенным в работе [21].  
Так, 
согласно 
расчетным 
данным 
фольга из титана толщиной 50 мкм для 
электрона с Ек = 511 кэВ имеет прозрачность около 90 % [22].  
Плотность мощности, снимаемой с 
фольги 
атмосферой, 
пропорциональна 
теплопроводности фольги и допустимой 
рабочей температуре, при которой нет заметного снижения механических свойств 
фольги. Если допустимую величину тока 
через фольгу для алюминия, рассчитанную исходя из этих параметров, принять за 
единицу измерения таких величин, то для 
применяемых в выпускных окнах титановой фольги, она вдвое больше. 
Применение вместо титановой фольги 
пленки из лавсана, расположенной поверх 
Предварительно проведенные испытания показали, что диффузионная сварка 
обеспечивает получение более качественных соединений по сравнению с пайкой. 
Выпускное окно, используемое в ускорителях электронов с выводом пучка ускоренных частиц в атмосферу или в газ повышенного давления, состоит из тонкой 
фольги, вакуумно-плотно закрепленной 
между опорными решетками [19]. 
Материал и геометрические параметры 
фольги должны обеспечивать прозрачность 
окна для высокоэнергетичного электронного 
пучка и представлять физический барьер, отделяющий рабочую среду от окружающей 
атмосферы, а также обеспечивать наибольшую устойчивость к действию электронной 
бомбардировки, достаточную прочность и 
выносливость.  
Этим требованиям отвечает фольга из 
титана, алюминия, а также полимерные 
материалы, в виде пленки, устойчивые к 
действию электронной бомбардировки, 
обладающие достаточной прочностью и 
выносливостью для сохранения своих 
свойств [20]. 
9 

решеток 
с 
овальными 
отверстиями, 
между которыми закрепляют фольгу прямоугольной формы с размерами большими, чем отверстие. 
В описанных конструкциях выпускных окон, как планарных, так и аксиальных, фольгу традиционно закрепляют 
между опорными решетками механическим путем через резиновые уплотнители болтами, винтами, зажимами и т.д., 
или пайкой. Недостатками такого окна 
является невысокая надежность соединения фольги с опорной решеткой, низкая 
теплопроводность, обусловленная наличием резинового уплотнителя. 
Невысокая надежность конструкции  
и потери энергии пучка вследствие  
выбранных средств уплотнения и фиксации фольги в опорных решетках поставили задачу разработки принципиально 
новой конструкции и технологии изготовления выпускного окна ускорителя 
электронов. 
металлической 
решетки, 
выполняющей 
функцию анода в вакуумном диоде сечением 
13×150 см, приводит к снижению эффективности генерации энергии в 1,7 раз. Последнее 
объясняется различным уровнем вложенной 
в газ энергии [23].  
Традиционной 
планарной 
формой 
опорных решеток (рис. 1.9) выпускных 
окон ускорителя электронов, начиная с 
первых конструкций электронных пушек, 
являются фланцы или рамки и их комбинации с решетками, отверстиями, прорезями 
или перемычками. 
Известна конструкция (рис. 1.10) аксиального выпускного окна, предназначенного для вывода широкоапертурных, 
интенсивных, 
радиально 
сходящихся 
пучков ускоренных электронов в атмосферу или газ повышенного давления для 
накачки газовых лазеров [25]. Она содержит объединяющую опорную решетку в 
виде цилиндрического каркаса, в котором вырезаны прямоугольные отверстия, 
и решетку, набранную из нескольких 
а           
        б 
в                           г 
Рис. 1.9. Конструкции окон для выпуска электронов:  
1 – фольга; 2 – опорные решетки в форме: а – фланцы; б – фланец и круглая решетка с отверстиями;  
в – фланец и круглая решетка с прорезями;  
г – прямоугольная рамка и прямоугольная рамка с прорезями [24] 
10