автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Формирование фазового состава, структуры и свойств жаропрочных титановых сплавов с интерметаллидным упрочнением при термоводородной обработке

^СкЬ На правах рукописи

ч)

^ "V УДК 669.295'788:621.78-97

АСПИРАНТ Кусакина Юлия Николаевна

ФОРМИРОВАНИЕ ФАЗОВОГО СОСТАВА, СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ЖАРОПРОЧНЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ С ИНТЕРМЕГАЛЛИДНЫМ УПРОЧНЕНИЕМ ПРИ ТЕРМОВОДОРОДНОЙ ОБРАБОТКЕ

Специальность 05.16.01. — Металловедение и термическая обработка

металлов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена на кафедре "Материаловедение и технология обработки материалов" Московского государственного авиационного технологического университета им. К.Э.Циолковского.

Научный руководитель: — доцент, кандидат технических наук

Мамонов Андрей Михайлович

Официальные оппоненты: — доктор технических наук, профессор

Полькин Игорь Степанович (ОАО ВИЛС)

Ведущее предприятие указано в решении Ученого Совета.

Защита диссертации состоится 2 апреля 1998г. в 14 часов на заседании диссертационного Совета К 063.56.04 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в области металловедения и термической обработки металлов, порошковой металлургии и композиционных материалов, материаловедения (в машиностроении) в Московском государственном авиационном технологическом университете им. К.Э.Циолковского по адресу: Москва, ул.Оршанская, 3, МГАТУ им.К.Э.Циолковского. Отзыв на автореферат в одном экземпляре (заверенный печатью) просим направлять по адресу: 121552, Москва, ул.Оршанская, 3, МГАТУ им.К.Э.Циолковского. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Университета.

Автореферат разослан 2 марта 1998 года.

Ученый секретарь диссертационного Совета

— доцент, кандидат технических наук Петров Леонид Михайлович (НИАТ)

доцент, кандидат технических наук

С.В. Скворцова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одними из наиболее перспективных металлических материалов, используемых в качестве жаропрочных в авиационном двигателестроении и других областях авиакосмической техники, являются титановые сплавы, обладающие высокой удельной прочностью при нормальной и повышенных температурах. Однако к настоящему времени возможности лучших серийных сплавов, разработанных как в России, так и за рубежом -ВТ18У, ВТ36, ВТ25У, 1М1834, ТШОО, та242, и др. в плане повышения ресурса, уровня рабочих температур (500 - 600°С) и комплекса механических и эксплуатационных свойств практически исчерпаны. Применение более жаропрочных сплавов на основе интерметаллида Т13А1, таких как "супер-а2 " (США), ВТИ-1 (Россия), сдерживается целым рядом нерешенных проблем, основными из которых являются высокая стоимость и плотность вследствие сильного легирования ниобием, а также низкая пластичность при нормальной температуре и при горячей обработке давлением.

В то же время интерметаллид Т13А1 принципиально может быть использован в качестве дисперсной упрочняющей фазы (а2) в жаропрочных сплавах на основе а - и а+(3- структур. Однако присутствие а2-фазы в структуре титановых сплавов традиционно считалось неприемлемым, так как ее выделение в процессе длительной (более 100 часов) выдержки при температурах 500 - 700°С приводит к резкому снижению пластичности, вязкости разрушения, трещиностойкости. Решить проблему термической стабильности сплавов с интерметаллидным упрочнением а2 - фазой традиционными методами термической или термомеханической обработки не удалось. Поэтому разработанные еще на рубеже 60-х - 70-х годов сплавы этого класса Т1-8111 (США), СТ4 (Россия) с содержанием алюминия 8-9%(масс.) не нашли практического применения. В то же время очевидно, что сплавы на основе а -фазы с

упрочнением а2-фазой могли бы наиболее эффективно использоваться в интервале рабочих температур от 550 до 700°С. Поэтому актуальным является поиск принципиально новых технологических способов обработки жаропрочных титановых сплавов с интерметаллидным упрочнением, которые позволили бы решить указанные проблемы.

Одним из таких способов является термоводородная обработка (ТВО), основанная на обратимом легировании водородом. Уникальность водорода, как легирующего элемента, обусловлена его исключительной диффузионной подвижностью, высокой растворимостью в титановых сплавах, сильным влиянием на стабильность фаз, их химический состав, диффузию основных легирующих элементов и т. д. К настоящему времени разработаны научные основы ТВО и показана высокая эффективность в управлении структурой литых и деформированных титановых сплавов разных классов и повышении их механических, эксплуатационных и технологических свойств. Однако исследования, проведенные на сплавах с содержанием алюминия около 9%(масс.) носят предварительный характер. Закономерности фазовых и структурных превращений в сплавах на основе а+а2- структуры, дополнительно легированных водородом, при различной термической обработке изучены недостаточно. Не установлено влияние термоводородной обработки на закономерности разрушения этих сплавов при циклическом нагружении. Не изучена возможность совмещения ТВО с эффектом водородного пластифицирования при горячей обработке давлением, что позволит не только улучшить деформируемость, но и обеспечить высокий уровень механических свойств и термическую стабильность.

Цель настоящей работы состояла в исследовании закономерностей формирования фазового состава и структуры жаропрочных титановых сплавов с интерметаллидным упрочнением сс2 - фазой при обратимом легировании водородом

и термическом воздействии и в разработке на этой основе режимов термоводородной обработки, обеспечивающих термическую стабильность и повышение комплекса механических, эксплуатационных и технологических свойств.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- исследовать влияние водорода на механизм и кинетику фазовых превращений и струюурообразование в сплавах при различных видах термической обработки, в том числе вакуумном отжиге;

- определить схему и параметры термоводородной обработки, обеспечивающей повышение комплекса свойств сплавов и термическую стабильность;

- изучить закономерности распространения усталостной микротрещины в сплавах с различным структурным состоянием и влияние на них ТВО;

-оценить возможность и эффективность сочетания ТВО и водородного пластифицирования в технологическом процессе изготовления лопаток компрессора, включающем фасонное литье заготовок.

Исследования были проведены на опытном сплаве состава 'П-9А1-1Мо-48п-37г (% по массе).

Научная новизна.

1. Определен фазовый состав сплава Ть9А1-1 Мо-32г-4йп, содержащего от 0,003 до 1% по массе' водорода при температурах от 20 до 1150°С. Построены диаграммы "фазовый состав - концентрация водорода - температура", описывающие формирование фазового состава водородсодержащего сплава при нагреве от нормальной температуры и охлаждении с печыо из Р-области с последующей закалкой от заданной температуры.

1 Здесь и далее по тексту концентрация водорода и легирующих элементов приведена в процентах по массе.

Установлено, что при увеличении содержания водорода от 0,003 до 1,0% по массе температуры Ас3 и Аг3 снижаются на 220-210°С соответственно. Легирование сплава водородом до концентраций более 0,6% приводит к формированию структур, содержащих гидридную фазу.

2. Показано, что температура конца разупорядочения а2-фазы при нагреве сплава, легированного водородом, повышается на 50°С. Температура начала упорядочения а-фазы при охлаждении сплава изменяется в зависимости от концентрации водорода немонотонно в соответствии с характером протекающих фазовых превращений.

3. Определен фазовый состав и структура сплава Т1-9А1-1Мо-37г-48п, легированного водородом до 1,0% по массе, после охлаждения из р-области со скоростями от 250 до 0,03 К/с. Построена диаграмма "фазовый состав - концентрация водорода -скорость охлаждения". Показано снижение первой, второй и третьей критических скоростей охлаждения при легировании сплава водородом. Установлено, что легирование водородом приводит к снижению скоростей охлаждения, при которых в сплаве образуется упорядоченная а2-ф;па. Показано, что максимальная твердость сплава достигается при охлаждении со скоростями, близкими к третьей критической.

4. Определен фазовый состав сплава Т1-9А1-1 Мо-32г-48п с различным содержанием водорода, формирующийся в процессе изотермической обработки при температурах от 500 до 750°С после предварительной закалки из (}- и сх+р-области. Построены диаграммы "фазовый состав - температура - время выдержки" для сплавов с различной концентрацией водорода. Показано, что минимальное время выдержки до начала упорядочения а-фазы достигается в сплаве с 0,8% водорода при температуре 650°С.

5. Установлены закономерности фазовых превращений в сплаве с концентрацией водорода от 0,003 до 0,8%, протекающих при непрерывном нагреве и

изотермических выдержках в вакууме. Показано, что при исходной концентрации водорода более 0,6% в процессе вакуумного отжига формируется бимодальная структура, в которой содержание алюминия в первичной и вторичной а-фазах различается на 4-8%. Эта структура является термически устойчивой при температурах до 750°С. Образование а2-фазы происходит только в частицах первичной а-фазы, обогащенной алюминием.

6. Установлено, что формирование в сплаве в результате ТВО бимодальной структуры с различными размерами, морфологией и химическим составом первичной и вторичной а-фаз, приводит к повышению сопротивления сплава зарождению и распространению усталостной микротрещины и практически исключает реализацию механизма перерезания трещиной частиц первичной а-фазы.

Практическая значимость.

1. Разработаны режимы термоводородной обработки сплава Т1-9А1-1Мо-32г-48п, включающие насыщение водородом до концентраций 0,6-0,8% в температурном интервале 900-750°С и вакуумный отжиг при температуре 700°С. Разработанные режимы обеспечивают термическую стабильность сплава при температуре 650°С в течение 100 часов. Предел прочности после ТВО повышается на ЮОМПа по сравнению с отожженным состоянием и составляет 1 ЮОМПа (при 20°С), а относительное удлинение при растяжении и ударная вязкость сохраняются на удовлетворительном уровне (соответственно 6,8% и 0,27 МДж/м2) после 100-часовой выдержки при 650°С. Средняя скорость распространения усталостной трещины после 20-часовой выдержки при 650°С в сплаве, предварительно подвергнутом ТВО, снижается в 17 раз, а число циклов до ее зарождения возрастает

более, чем в 10 раз, по сравнению с состоянием после предварительной закалки из а+(5-области.

2. Предложена схема изготовления лопаток компрессора ГТД из сплава Тл-9А1-1Мо-ЗZr-4Sn, основанная на сочетании фасонного литья заготовок, термоводородной обработки отливок и изотермической штамповки в условиях проявления эффекта водородного пластифицирования. Показано, что введение 0,65% водорода в фасонную отливку позволяет снизить температуру деформации до 850-900°С, что на 150-100°С ниже температур, принятых для сплавов этого класса. Предложенная схема обеспечивает снижение энергоемкости и стоимости технологии, увеличение коэффициента использования металла и повышение стойкости штампов из сплава ЖС6К не менее, чем в 2 раза, по сравнению с технологией изготовления лопаток из деформированных полуфабрикатов.

Апробация работы. Материалы работы доложены на 9 научно-технических конференциях и семинарах, в том числе на 4 международных.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 11 работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы из 94 наименований. Изложена на 124 страницах машинописного текста, содержит 70 рисунков и 13 таблиц.

Глава I. Состояние вопроса.

В главе приведены требования к жаропрочным титановым сплавам, описаны принципы их легирования и факторы, определяющие жаропрочность. Отмечается, что наиболее жаропрочные промышленные сплавы титана представляют собой деформируемые псевдо-а сплавы, комплексно легированные алюминием, р-стабилизаторами и нейтральными упрочнителями. Показано, что в настоящее время в авиастроении и при создании воздушно-космических систем применяются жаропрочные сплавы с псевдо-а и а+Р-структурой, такие как 1М1834, ВТ18У, И 62428, ВТ8, ВТ25У.

Проанализированы тенденции в создании новых жаропрочных титановых сплавов. Наряду с исследованиями по созданию новых жаропрочных сплавов на основе интерметаллидов титана во всем мире ведутся работы по усовершенствованию уже существующих сплавов.

Приведены факторы, определяющие термическую стабильность жаропрочных титановых сплавов, и показано, что проблему термической стабильности жаропрочных титановых сплавов с высоким содержанием алюминия связывают с процессами упорядочения, развивающимися в а-фазе и приводящими к выделению интерметаллида Т13Л1(а2). Сделан вывод о том, что при содержании алюминия в сплавах на уровне более 6-7% комплексное легирование не является гарантией эффективного подавления процесса выделения охрупчивающей сь-фазы. Приведены примеры применения ТВО для создания термически стабильных структурных состояний у жаропрочного титанового сплава ВТ18У.

Анализ литературных данных позволяет сделать вывод о том, что актуальной научной и практической задачей остается поиск новых физико-механических и технологических способов управления структурой и свойствами титановых сплавов. Одним из таких способов является Термоводородная обработка (ТВО). Основным

отличием данного вида обработки и протекающих в ходе нее процессов, является то, что изменяющимся и управляемым параметром в ней является концентрация водорода, т.е. состав сплава. Именно возможность управления составом сплава в процессе обработки и определяет широкие возможности ТВО в обеспечении необходимого комплекса свойств материала.

Сформулирована цель работы и задачи, которые необходимо решить для ее достижения.

Глава II. Объекты и методы исследования.

Исследования проводили на образцах, вырезанных из горячекатаных прутков 0 20т15мм опытного сплава Ть9А1-1Мо-32г-48п. Горячекатаные прутки были получены по опытно-промышленной технологии (1ПрОкатки=1000оС).

Таблица 1.

Химический состав исследованного сплава

Основные химические элементы и примеси И А1 Мо Бп Ът Ре

% по массе осн. 9,3 1,1 4,2 3,0 0,02 0,1

Насыщение образцов водородом производили в установке Сивертса из газообразной среды при температурах 750-950°С с последующим охлаждением со скоростями от 0,03 до 1 К/с. Концентрация водорода (х„) составляла от 0,1 до 1,0%. Количество поглощенного водорода определяли по изменению его давления в системе с известным объемом и контролировали по привесу образцов. Вакуумный отжиг проводили в печи марки СНВЭ-1.31/16-И4. Содержание водорода в образцах после вакуумного отжига определяли спектральным методом.

Термическую обработку проводили в лабораторных печах электросопротивления с воздушной атмосферой типа СНОЛ-1,6.2,5.1/9-И4. Скорость охлаждения после высокотемпературной термической обработки варьировали от 250 до 0,03 К/с, используя различные охлаждающие среды.

Металлографический анализ проводили на оптическом микроскопе "ЫЕОРНОТ-ЗО" при увеличениях до 1000 крат. Кроме того, структуру образцов изучали с помощью просвечивающего электронного микроскопа ЭМ-125К на фольгах при увеличениях до 50000 крат.

Рентгеноструктурные исследования проводили на дифрактометре ДРОН-4.07 в фильтрованном Ка медном излучении. Высокотемпературные рентгеноструктурные исследования проводили на дифрактометре ДРС)Н-3,0 с высокотемпературной приставкой УРВТ-2000. Нагрев образцов в интервале температур от 20 до 900°С осуществляли в вакуумной камере приставки, остаточное давление в которой в зависимости от целей эксперимента изменяли от 1 до 0,01 Па. По результатам рентгеновской съемки производили качественный и количественный анализ фазового состава, а также рассчитывали периоды кристаллических решеток фаз.

Фрактографические исследования изломов образцов после механических испытаний осуществлялись на растровом электронном микроскопе "САМЕВАХ".

Механические свойства: временное сопротивление разрыву а„, условный предел текучести а02, относительное удлинение 8, ударную вязкость образцов с V-образным надрезом КСУ определяли по ГОСТ 1497-73.

Закономерности распространения усталостной трещины в структуре сплава изучали с использованием специальной методики и установки на микрообразцах с У-образным надрезом, помещаемых в колонну растрового электронного микроскопа "САМЕВАХ" и нагружаемых по схеме чистого изгиба с частотой до 10Гц и апга=190МПа.

Полученные в исследованиях экспериментальные результаты были обработаны методами математической статистики.

Глава III. Формирование фазового состава и структуры в сплаве Ti-9AI-lMo-3Zr-4Sn, легированном водородом, при термической

обработке.

В главе представлены экспериментальные результаты по влиянию водорода на фазовый состав и структуру сплава с содержанием водорода от 0,1 до 1,0% при температурах от 20 до 1150°С. Установлено, что легирование водородом приводит к уменьшению температуры Асз более чем на 200°С и переходу от гексагонального к ромбическому мартенситу и далее к однофазной ß-струюуре при закалке из ß-области. В структуре сплава с содержанием водорода больше 0,6% после закалки от

t,°C

температур 700-800°С

a"+ß

присутствует гидридная фаза, образующаяся по диффузионно-кооперативному механизму. Тем-

пература разупорядочения

а2-фазы увеличивается с

ростом

содержания

a+ß+a2+y

водорода в сплаве

Jl

примерно на 50°С. В

О 0,2 0,4 0,6 0,8 х„, %масс. Рис.1. Влияние водорода и температуры

сплаве с содержанием

нагрева под закалку на фазовый состав

водорода от 0,6 до 0,8%

сплава Ti-9Al-lMo-3Zr-4Sn.

при увеличении темпе-

ратуры нагрева под закалку имеет место необычное для титановых сплавов чередование фазовых областей (рис.1). Повышение устойчивости (3-фазы к мартенситному превращению при нагреве выше 900°С обусловлено дополнительным обогащением ее водородом при растворении а2-фазы. По результатам исследований была построена диаграмма "фазовый состав -концентрация водорода - температура" при нагреве от нормальной температуры (см. рис.1).

Исследование влияния водорода на фазовый состав и структуру сплава, закаленного с различных температур после охлаждения из Р-области показало, что температура Аг3 на 40-50° ниже температуры Ас3. В сплавах с содержанием водорода больше 0,8% при температурах 400-450°С В' процессе охлаждения происходит частичный эвтектоидный распад Р-фазы с выделением гидрида. Температура упорядочения а-фазы при увеличении концентрации водорода до 0,6% понижается на 150°, а потом возрастает. Это возрастание обусловлено повышением концентрации водорода в а-фазе, что способствует возникновению упорядоченных микрообъемов при более высокой температуре. По результатам исследований была построена диаграмма "фазовый состав - концентрация водорода - температура" при охлаждении из Р-области с последующей закалкой от заданной температуры. Исследовано влияние скорости охлаждения из Р-области на формирование фазового состава и структуры сплава, легированного водородом. Используя рентгеновские данные о периодах решетки и полуширине дифракционных максимумов а- и р-фаз была определена первая и вторая критические скорости охлаждения. Кроме того была определена третья критическая скорость охлаждения, при которой формируется структура с максимальной неоднородностью химического состава фаз, что соответствует максимальной полуширине дифракционных максимумов на рентгенограммах. Показано, что формирование такой структуры приводит к максимальной твердости сплава. По результатам проведенных исследований

построена диаграмма "фазовый состав - концентрация водорода - скорость охлаждения"(рис.2). Построена номограмма линий равной твердости в координатах "скорость охлаждения - концентрация водорода".

Анализ построенной диаграммы фазового состава в координатах "скорость охлаждения - концетрадая водорода " показывает, что с увеличением содержания водорода происходит снижение всех критических скоростей охлаждения. При охлаждении из р-области со скоростями выше первой критической увеличение концентрации водорода приводит к чередованию фазового состава сплава в последовательности: а', а"+р, р. В сплаве с содержанием водорода более 0,6% в ходе непрерывного охлаждения реализуется эвтектовдный распад Р-фазы с выделением гидрида.

Немонотонное изменение скорости охлаждения, обеспечивающей образование

упорядоченной фазы, связано с уменьшением диффузионной подвижности алюминия в исходной водородсодер-жащей р-фазе, а также с влиянием растворенного в а-фазе водорода на процесс упорядочения.

Изучены фазовые и структурные превращения, происходящие в процессе изотермических выдержек в интервале

Рис.2. Влияние скорости охлаждения из р-области и концентрации водорода на фазовый состав сплава Т1-9А1-1Мо-Згг-48п.

температур 500-750°С в сплаве с различной концентрацией водорода после предварительной закалки из а+[5 и Р-областей. Об изменении фазового состава и структуры судили по данным рентгеноструктурного анализа и характеру изменения твердости. Установлено, что в сплаве с исходным содержанием водорода, закаленном из а+Р-области, наиболее интенсивно процесс упорядочения протекает при температуре 600°С. При легировании водородом время выдержки до образования упорядоченной фазы в сплаве, закаленном из а+Р-области, уменьшается при всех температурах, что связано с различием объемных долей и химического состава исходных а- и р-фаз. Температура минимальной устойчивости неупорядоченного а-твердого раствора повышается с 600 до 650°С при хн=0,003 и 0,3% соответственно.

В сплаве, предварительно закаленном из Р-области, исходная структура и характер фазовых превращений при изотермических выдержках зависят от концентрации водорода. Так при исходном содержании водорода процесс распада а(а')-фазы при температурах 600 и 700°С начинается с образования Р-фазы. Ее выделение приводит к обогащению а-фазы алюминием и образованию в ней упорядоченных микрообъемов. При температуре 500°С упорядочение происходит до выделения р-фазы.

В сплаве, легированном водородом, распад мартенсита и р-фазы, зафиксированных закалкой из р-области, происходит уже в процессе нагрева до температур изотермических выдержек, так что уже при минимальных временах выдержки в структуре присутствует а-фаза. Увеличение концентрации водорода от 0,003 до 0,3% приводит к замедлению процессов упорядочения в а-фазе. Увеличение концентрации водорода от 0,3 до 0,8% приводит к ускорению процессов упорядочения в а-фазе при всех температурах изотермической выдержки и образованию гидрида. Неоднозначное влияние водорода на процессы упорядочения в а-фазе обусловлено различием в фазовом составе сплава, химическом составе фаз,

последовательности и характере фазовых превращений, протекающих в процессе изотермических выдержек. Минимальная устойчивость Р-фазы к выделению гидрида в сплаве с содержанием водорода 0,8% наблюдается при температуре 600°С. Построены диаграммы "фазовый состав - температура - время выдержки" для сплава с различной концентрацией водорода, исходным фазовым составом и структурой.

Глава IV. Фазовые и структурные превращения в сплаве Ti-9Al-lMo-ЗZr-4Sn, легированном водородом, при вакуумной обработке.

Для обоснования режимов ТВО необходимо исследовать фазовые превращения в сплаве, легированном водородом, происходящие при нагреве и изотермических выдержках в вакууме. Эти исследования были проведены с использованием метода высокотемпературной рентгенографии.

Изучены фазовые превращения, протекающие в сплаве "П-9А1-1Мо-37г-45п, легированном водородом, при непрерывном нагреве до 900°С и изотермических выдержках при температурах 650 и 750°С в вакууме.

Анализ полученных результатов, обобщенный в виде диаграммы (рис.3), показал, что фазовый состав образцов с концентрацией водорода до 0,5% не изменяется вплоть до температур 850-900°С.

Удаление водорода начинается при температурах 500-450°С. В сплаве с содержанием водорода более 0,6% обратное эвтектоидное превращение завершается до начала дегазации. Так при начальных концентрациях водорода от 0,8 до 1,0% обратное эвтектоидное превращение завершается при температурах ниже 400°С. Обеднение р-фазы водородом в процессе его десорбции инициирует р~>а превращение. В сплаве с начальным содержанием водорода более 0,6% процесс

десорбции сопровождается образованием в результате р—>а превращения "вторичной" а-фазы (ад), которая наследует химический состав Р-фазы.

В частности, она содержит значительно меньше алюминия чем первичная, что выражается в раздвоении всех дифракционных максимумов а-фазы на рентгенограммах. По проведенным косвенным оценкам разность концентраций алюминия в этих структурных составляющих а-фазы дос-х„, мас.% тигает 4-8%. При последующем нагреве состав

О 0,2 0,4 0,6

Рис.3. Изменение фазового состава сплава

Ti-9Al-lMo-ЗZr-4Sn, легированного водородом, при а-фазы начинает вырав-

непрерывном нагреве в вакууме (Ум=0,1К/с) 1„я- температура начала дегазации 1КЛ - температура конца дегазации

ниваться вследствие активизации диффузии алюминия.

Для определения

устойчивости структурного состояния с двумя а-фазами были проведены длительные изотермические выдержки в вакуумной камере дифрактометра при температурах 650 и 750°С с периодической съемкой дифрактограмм и определением периодов решеток фаз. Анализ полученных результатов показал, что периоды кристаллической решетки как первичной, так и вторичной а-фаз практически не изменяются, т. е. их химический состав постоянен. Процессы упорядочения

протекают только в первичной а-фазе. Во "вторичной" а-фазе выделения упорядоченной фазы не происходит. Это подтверждено методом электронной микроскопии тонких фолы. Состояние сплава с двумя структурными составляющими а-фазы, имеющими различные размеры, морфологию и химический состав, стабильно в течение длительных выдержек при температурах 650 и 750°С.

Установлено, что растворение водорода в а(а2)-фазе приводит к увеличению коэффициента линейного термического расширения ГП-решетки в направлении оси с, т.е. к снижению прочности межатомной связи.

Глава V. Влияние термоводородной обработки на механические, эксплуатационные и технологические свойства сплава Ть9АНМо-3&-48п.

По результатам проведенных исследований была разработана схема ТВО сплава 'П-9Л1-1Мо-32г-45п. Целью обработки является создание термически стабильной бимодальной структуры с различными структурными составляющими а-фазы, обеспечивающей высокий комплекс механических и эксплуатационных свойств. Эта схема включает наводороживающий отжиг до концентраций 0,6-0,8%, проводимый с понижением температуры от 900 до 800°С с целью сохранения первичной а-фазы, охлаждение со скоростью 1 К/с и вакуумный отжиг при температуре 700°С, обеспечивающий формирование бимодальной структуры и удаление водорода до безопасных концентраций.

Структура, сформированная в результате термоводородной обработки представлена частично упорядоченной первичной а-фазой глобулярной морфологии, мелкодисперсной пластинчатой вторичной а-фазой и небольшим количеством (до 5%) Р-фазы в прослойках.

Для оценки влияния термоводородной обработки на механические свойства сплава были про ведены механические испытания на растяжение и ударную вязкость

при нормальной температуре. Испытаниям подвергались образцы после отжига по стандартному режиму, принятому для промышленного сплава ВТ18У, закалки на (а+Р)-структуру и термоводородной обработки. Часть образцов после закалки и ТВО подвергалась 100-часовой изотермической выдержке при 650°С. Таблица 2.

Механические свойства сплава "П-9А!-1Мо-3?г-48п.

№п.п. Режимы обработки сгвМПа ао^МПа 5,% КСУ,МДж/м2

1. Отжиг 930°С, 1час 1010 920 5,5 0,21

2. Закалка900°С 980 890 6,9 0,29

3. Закалка 900°С+сгареше 650°С, 100 ч. 1090 990 1Д 0,06

4. ТВО(0,6%Н2) 1080 980 7,0 0,29

5. ТВО(0,8%Н2) 1100 990 6,8 0,24

6. ТВО(0,6%Н2)+ старение 650°С, 100 ч. 1110 1010 6,8 0,27

Анализ результатов показал, что длительное старение образцов, не подвергавшихся термоводородной обработке, приводит к резкому падению пластичности и особенно ударной вязкости, что связано с непрерывным выделением мелкодисперсной когерентной упорядоченной а2-фазы по всему объему а-пластин. Проведение термоводородной обработки, формирующей бимодальную структуру, в которой упорядочение протекает только в частицах первичной а-фазы, обеспечивает стабильность механических свойств после 100-часовых выдержек при температуре эксплуатации. Кроме того термоводородная обработка повышает прочность сплава на 80-100 МПа.

Исследование параметров трещиностойкости и механизма распространения усталостной трещины показало, что проведение термоводородной обработки приводит к повышению сопротивления зарождению и распространению усталостной микротрещины. Так число циклов до зарождения трещины после длительной выдержки при температуре 650°С в сплаве, подвергнутом ТВО, увеличивается более чем в 10 раз, а средняя скорость распространения трещины снижается в 17 раз по сравнению со сплавом, не подвергнутом ТВО. Установлено, что в процессе развития усталостной трещины в структуре сплава после ТВО практически не реализуется механизм перерезания частиц первичной а-фазы, вследствие ее сильного упрочнения при упорядочении.

На заключительном этапе работы была предложена технологическая схема изготовления лопаток компрессора авиадвигателя из сплава с интерметаллидным упрочнением, основанная на фасонном литье заготовок. По экономической эффективности такой технологический процесс превосходит процессы, основанные на использовании деформированных полуфабрикатов за счет повышения коэффициента использования материала, снижения энергоемкости и стоимости технологии. Неблагоприятное состояние литой структуры и возможные литейные дефекты устраняются при термоводородной обработке и пластической деформации.

Предлагаемая схема включает фасонную отливку заготовок, наводороживающий отжиг с параметрами, соответствующими описанной схеме ТВО, изотермическую штамповку в условиях проявления эффекта водородного пластифицирования, обеспечивающую заданную геометрию и структуру лопатки, и вакуумный отжиг.

Для исследования эффективности водородного пластифицирования литого сплава с концентрацией водорода более 0,6% были проведены испытания на изотермическую осадку образцов при различных температурах. Исследования

показали, что введение 0,65% водорода в сплав с литой структурой снижает предел текучести при температурах осадки 850-900°С на 150-200МПа.

Анализ зависимости удельных усилий осадки от степени деформации показал, что максимальная степень динамического разупрочнения сплава с 0,65% водорода достигается при температуре 850°С и степенях деформации 20-40%. При этом удельные усилия деформации соответствуют усилиям, достигаемым в сплаве без водорода при температуре 950°С.

Установлено, что процесс динамического разупрочнения сплава при деформации со степенями до 20-40%, контролируемый динамической рекристаллизацией а(а2)-фазы, наиболее интенсивно развивается при объемной доле а(а2)-фазы 55-60%.

После вакуумного отжига, заключительного этапа предложенной технологической схемы, структура сплава представлена рекристаллизованной первичной а-фазой глобулярной морфологии, мелкодисперсной "вторичной" а-фазой пластинчатой морфологии и небольшим (до 5-8%) количеством р-фазы в прослойках.

Таким образом введение водорода позволяет снизить температуру изотермической штамповки до 850-900°, что соответствует режимам деформации конструкционных (а+Р)-сплавов, снижает окисление образцов и повышает стойкость штампов из сплава ЖС6К в 2 раза. Кроме того, термоводородная обработка с предложенными параметрами должна обеспечить высокий комплекс механических свойств, термическую стабильность и повышение трещиностойкости.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Исследовано влияние водорода на фазовый состав и структуру сплава Ть 9А1-1Мо-Згг-48п в интервале температур от 20 до 1150°С. Установлено, что при увеличении концентрации водорода от 0,003 до 1,0% по массе температуры Ас3 и Агз снижаются на 220 и 210°С. При закалке сплава с содержанием водорода от 0,65 до 1,0% от температур 700-800°С реализуется р->у ('ПН2) превращение диффузионно-кооперативного характера, а при медленном охлаждении из Р-области в сплаве с х„=0,8-1,0% при температурах 400-450°С происходит частичный эвтектоидный распад Р-фазы (Р—>аэ+у). Показано, что повышение концентрации водорода приводит к увеличению температуры конца разупорядочения сх2-фазы при нагреве и немонотонному изменению температуры упорядочения а-фазы при охлаждении. Построены диаграммы: "фазовый состав - концентрация водорода -температура" при нагреве от нормальной температуры и охлаждении из Р-области с последующей закалкой от заданной температуры.

2. Определен фазовый состав и структура сплава Т1-9А1-1Мо-32г-45п, легированного водородом, после охлаждения из Р-области с различными скоростями. Показано, что увеличение концентрации водорода приводит к снижению первой, второй и третьей критических скоростей охлаждения и к чередованию фазового состава при охлаждении со скоростями выше укр' в последовательности: а', а"+р, Р, а также к уменьшению скоростей охлаждения, обеспечивающих образование сх2-фазы. Установлено, что максимальная твердость сплава достигается при непрерывном охлаждении из р-области со скоростью, близкой к третьей критической. Построена диаграмма: "фазовый состав -концентрация водорода - скорость охлаждения" и номограмма линий равной твердости сплава в координатах "скорость охлаждения - концентрация водорода".

3. Исследовано влияние водорода на формирование фазового состава и структуры сплава в процессе изотермических выдержек в интервале температур 500-750°С после предварительной закалки из ß- и a+ß-областей. Установлено, что в сплаве, закаленном из a+ß-области, легирование водородом приводит к ускорению процесса упорядочения a-фазы, причем температура минимальной устойчивости неупорядоченного a-твердого раствора повышается с 600 до 650°С при хн=0,003 и 0,3% соответственно. В сплаве, закаленном из ß-области, увеличение концентрации водорода от 0,003 до 0,3% приводит к замедлению процессов упорядочения в а-фазе, при дальнейшем росте хн до 0,8% к их ускорению, что связано с различием в фазовом составе сплава, химическом составе фаз, последовательности и характере фазовых превращений, протекающих в процессе изотермических выдержек. Установлено, что в сплаве с содержанием водорода 0,8% в процессе изотермических выдержек происходит распад ß-фазы с выделением гидрида, причем минимальная устойчивость ß-фазы наблюдается при температуре 600°С. Построены диаграммы "фазовый состав - температура - время выдержки" для сплава с различной концентрацией водорода.

4. Изучены фазовые превращения, протекающие в сплаве Ti-9Al-lMo-3Zr-4Sn, легированном водородом, при непрерывном нагреве до 900°С и изотермических выдержках при температурах 650 и 750°С в вакууме. Установлено, что при начальных концентрациях водорода от 0,8 до 1,0% обратное эвтектоидное превращение завершается при температурах ниже 400°С (до начала дегазации). В сплаве с начальным содержанием водорода более 0,6% процесс десорбции сопровождается образованием в результате ß—>а превращения "вторичной" а-фазы (ал), содержащей на 4-8% меньше алюминия, чем первичная a'-фаза. Показано, что состояние сплава с двумя структурными составляющими a-фазы, имеющими

различные размеры, морфологию и химический состав, стабильно в течение длительных выдержек при температурах 650 и 750°С. Процессы упорядочения и образования а?-фазы в такой структуре происходят только в частицах первичной а1-фазы, обогащенной алюминием.

5. Разработаны режимы термоводородной обработки сплава Ть9А!-1Мо-32г-48п, включающие насыщение водородом до концентраций 0,6-0,8% при температурах 900-800°С и вакуумный отжиг при температуре 700°С. Разработанный режим обеспечивает формирование бимодальной структуры с двумя структурными составляющими а-фазы, концентрация алюминия в которых различается на 4-8%. Процессы упорядочения и образования аг-фазы протекают только в частицах первичной а-фазы, обогащенной алюминием. Сформированная структура стабильна при длительных (до 100 часов) выдержках при 650°С.

6.Показано, что разработанные режимы ТВО обеспечивают термическую стабильность и высокий уровень механических свойств сплава. Предел прочности после ТВО повышается на 100 МПа по сравнению с отожженным состоянием и составляет 1110 МПа , а относительное удлинение при растяжении и ударная вязкость сохраняются на удовлетворительном уровне (соответственно 6,8% и 0,27МДж/м2) после 100 часовой изотермической выдержки при 650°С.

7.Установлено, что ТВО по разработанным режимам приводит к повышению сопротивления сплава зарождению и распространению усталостной микротрещины, а также к изменению механизма ее движения по элементам структуры. Средняя скорость распространения трещины после длительной изотермической выдержки при 650°С в сплаве, предварительно подвергнутом ТВО, снижается по сравнению с состоянием после предварительной закалки из (а+Р)-области в 17 раз, а число

циклов до зарождения трещины увеличивается более, чем в 10 раз, при исследованных параметрах нагружения. Установлено, что в сплаве, подвергнутом ТВО, механизм перерезания трещиной частиц первичной а-фазы практически не реализуется.

8.Показано, что введение в литой сплав 0,65% водорода позволяет проводить его изотермическую штамповку в условиях проявления эффекта водородного пластифицирования при температурах 850-900°С, что на 100-150°С ниже температур деформации, принятых для сплавов этого класса. Предложена схема получения лопаток компрессора авиадвигателя, основанная на сочетании фасонного литья, термоводородной обработки и изотермической штамповки, обеспечивающая снижение энергоемкости и стоимости технологии, увеличение коэффициента использования материала и повышение стойкости штампов из сплава ЖС6К. Установлено благоприятное влияние водорода на снижение удельных усилий деформации сплава при изотермической осадке. Показано, что условный предел текучести сплава с 0,65% снижается при температурах деформации 950 и 900°С соответственно на 150 и 200МПа.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1) Мамонов A.M., Гришин О. А., Федорова J1.В., Кусакина Ю.Н. Создание термически стабильных структур в жаропрочных титановых сплавах термоводородной обработкой. - В сб. "Водородная обработка материалов (ВОМ-95)", тез. докл. 1-ой международной конференции. 1995, Донецк, Украина, с.40.

2) Кусакина Ю.Н., Мамонов A.M. Фазовые и структурные превращения в а+сь титановых сплавах при термоводородной обработке. - В сб. "Новые материалы и

технологии". Тез. докл. Российской научно-технической конференции (РНТК). М., 1995. с.16.

3) Будрик В.В., Засыпкин В.В., Кусакина ЮН. Влияние водорода на фазовый состав н структуру жаропрочного титанового сплава СТ4. - В сб. "Новые материалы и технологии". Тез. докл. РНТК. М., 1995, с.11.

4) Гришин О. А., Кусакина Ю.Н. Исследование жаростойкости титановых сплавов с интерметаллидным упрочнением в интервале температур эксплуатации. -В сб. докл. всероссийской научно-технической конференции "XXI Гагаринские чтения", М.: МГАТУ, 1995, с. 50.

5) Кусакина Ю. Н., Гусев Д. Е. Преобразование структуры литого жаропрочного титанового сплава Ti 6242 термоводородной обработкой. - В сб. докл. всероссийской научно-технической конференции "XXII Гагаринские чтения", М.: МГАТУ, 1996, с. 32.

6) A.A.Ilyin, А. М. Mamonov, Y. N. Kusakina. Thermohydrogen Treatment of Shape Casted Titanium Alloys. Procidings of TMS'96 ,California,USA,1997 In the book ADVANCES IN THE SCIENCE AND TECHNOLOGY OF TITANIUM ALLOY PROCESSING, p. 639-646.

7) A.Ilyin, A.M.Mamonov, Y.N.Kusakina and KA'.Mwov.Hydrogen Influence on the Structure of High-Temperature Strength of Titanium Alloy with Intermetallic Hardening. Proceedings of the 5th European Conference on Advanced Materials and Processes and Applications "EUROMAT-97", 1997, p. 1/307-1/310.

8) Ilyin A.A., Mamonov A.M., Nosov V.K., Kusakina J.N. Development of high-temperature strength alloy on Ti3Al base and production technology of its deformed semiproducts. - Abstract Booklet of Second Iternational Aerospace Congress "IAC '97", 1997, Moscow, p. 233.

9) Мамонов A.M., Кусакина Ю.Н., Староверов А.Г. Исследование структуры жаропрочного титанового сплава с интерметаллидным упрочнением при

легировании водородом. - В сб. "Новые материалы и технологии". Тез. докл. РНТК. М., 1997, с. 20.

10) Кусакина Ю.Н., Мамонов A.M., Гусев Д.Е. Влияние водорода на процессы упорядочения в жаропрочном титановом сплаве с интерметаллидным упрочнением. - В сб. "Новые материалы и технологии". Тез. докл. РНТК. М., 1997, с. 16.

11) Васильева С.А., Кусакина Ю.Н. Исследование процесса изотермического распада метастабилыюй р-фазы водородосодержащего сплава на основе Ti3Al. - В сб. докл. всероссийской научно-технической конференции "XXIII Гагаринские чтения", М.: МГАТУ, 1997, с. 65.

Основные положения диссертации доложены на: 1. I Международной конференции "Водородная обработка материалов (ВОМ' 95)" в

2. Российской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии" в 1995, 1997 гг.

3. International Conference TMS'96, 1997 .California,USA.

4. 5th European Conference on Advanced Materials, Processes and Applications "EUROMAT-97", 1997.

5. Second Iternational Aerospace Congress "IAC '97", 1997.

1995r.

Подписано в печать 27.02.98 г. Объем— 1 п.л. Тираж— 100 экз. Типография МГАТУ, ул.Ульяновская, 13