автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Формирование структуры и свойств титан-ниобневых сплавов с водородом и комплекснолегированных (альфа + бета) - и псевдо-альфа-сплавов с иттрием при термической обработке

На правах рукописи

ИЛЛАРИОНОВ Анатолий Геннадьевич

ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ТИТАН-НИОБИЕВЫХ СПЛАВОВ С ВОДОРОДОМ И КОМПЛЕКСНОЛЕГИРОВАННЫХ (а+р)- И ПСЕВДО-а-СПЛАВОВ С ИТТРИЕМ ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ

Специальность 05.16.01 -Металловедение и термическая обработка ' металлов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург 1996

Работа выполнена на кафедре термообработки и физики металлов Уральского государственного технического университета - УПИ

доктор технических наук, профессор ПОПОВ A.A.

доктор технических наук, профессор ШИШМАКОВ A.C.; кандидат технических наук, доцент МИХАЙЛОВ С. Б.

Ведущее предприятие - АО "Уралхиммаш"

Защита диссертации состоится 1 нарта 1Э96 г. на заседании диссертационного совета К 053.14.02 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Уральском государственном техническом университете - УПИ в 15 ч, ауд.МТ-421, по адресу: 620002. г.Екатеринбург, ул.Мира 19, УГТУ-У1Ш, 3-й уч. корпус.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УГТУ-УПИ.

" Автореферат разослан февраля 1996 г.

•Ученый секретарь • • диссертационного совета К 063.14.02. доцент, к.Т.Н

Научный руководитель. -Официальные оппоненты -

Логинов D.H.

- з -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время из-за увеличения стоимости природных ресурсов все большее значение приобретает разработка технологий, позволяющих удешевить производство материалов, используемых в различных отраслях. Одной из таких технологий является термоводородная обработка титановых сплавов. Достоинством ее является то. что введение водорода на промежуточных стадиях технологического процесса позволяет повысить деформируемость сплавов за счет эффекта водородного пластифицирования, а на заключительных стадиях водород из металла легко удалить. В свете этого, водород может найти применение в . сверхпроводящих П-Шэ-сплавах в качестве р-стабилизатора вместо дорогостоящего ниобия. Такая замена позволит стабилизировать .р-фазу при более низком содержании ниобия и обеспечить высокую пластичность данных сплавов в холодном состоянии. Это необходимо в процессе изготовления полуфабриката, включающем операции закалки, холодной деформации и старения. Однако сведения по вопросам влияния.водорода на формирование структуры и свойств Т1-№-сплавов после вышеперечисленных операций практически отсутствуют.

С другой стороны,снижения общей стоимости изделий из сплавов титана можно добиться повышением комплекса свойств за счет введения малых добавок легирующих элементов, способных играть роль модификаторов.. 'Для -татановых сплавов это особенно'важно из-за трудности измельчения крупнозернистой структуры, получаемой при нагреве в ^-область. Анализ результатов предыдущих исследований показал, что наиболее перспективными являются микродобавки иттрия. Однако механизм влияния иттрия на структуру, размер зерна и свойства титановых сплавов недостаточно изучен. Также практически нет оценки влияния комплексного микролегирования иттрием и другими переходными металлами на формирование фазового состава и внутризеренной структуры сплавов. • В связи с этим постановка работ, направленных на выявление закономерностей формирования структуры и свойств в сплавах системы Т1-Шэ' с водородом, псев-до-а- и (а+Р)-сплавах с иттрием, представляется актуальной.

Целью работы явилось комплексное исследование процессов структурообразования в сплавах системы Т1-НЬ. Т1-КЬ-Н и в а+р-, 1 псевдо-а-сплавах.титана с иттрием и другими переходными элементами - цирконием, гафнием, хромом и ванадием.

- 4 -

В работе были поставлены следующие задачи:

- исследовать закономерности протекания фазовых превращений, формирования структуры и свойств в сплавах систем Т1-№э и П-№э-Н в процессе закалки;

- провести сравнительный анализ влияния холодной деформации и старения на структуру и свойства промышленного сплава НТ50 и сплава со стабилизированной водородом р-фазой;

- изучить влияние микролегирования иттрием в сравнении с действием добавок других переходных металлов на структуру и свойства а+р- и псевдо-а-сплавов после разных видов обработки.

Научная новизна

Установлено аномальное изменение количественного соотношения фаз в сплавах системы Т1-№ при закалке. Показано, что'оно определяется положением температур Ма и Тш и напряжениями, возникающими при фазовых превращениях в решетке р-фазы. Экспериментально' обнаружено образование массивных выделений ш-фазы размером свыше 100 нм в сплаве с 23,0 вес.% ниобия.

Построена диаграмма фазового состава сплавов системы Т1-КЬ-Н закаленных с температур р-области. Показано, что введение водорода сдвигает концентрационные границы существования метаста-бильных фаз в сторону уменьшения концентрации ниобия, выклинивает область образования ю-фазы.

Впервые установлены кристаллогеометрические характеристики, механизм формирования и температурные интервалы существования переходного гидрида (Т1,Ш)}НЯ, где 0,8б<х<2.

На примере псевдо-а- й (а+р)-сплавов показано.• что введение иттрия способствует замедлению роста зерна при нагреве в р-об-ласть за счет.внутренней адсорбции иттрия по границам зерен.

Установлено, что введение операции предварительного старения перед отжигом : закаленных микролегированных сплавов типа ВТ18У обеспечивает повышение Стабильноста .мартенситоподобной структуры устойчивости межзеренных границ, уровня прочностных свойств..

Практическая ценность работы. Проведенные исследования расширяют /существующие 'представления . о закономерностях фазовых превращений в сплавах систем Т1-НЬ, Т1-КЬ-Н. что позволяет разработать экономнолегированный ниобием сверхпроводящий сплав с водородом1 и технологию его обработки. Результаты исследования показали реальность и перспективность использования водородного пластифицирования в технологии обработки сверхпроводящих сплавов

• : . . ~ 5 "

Внедрение рекомендаций по использованию комплексных микродобавок: иттрий-хром, гафний-хром в сплаве ВТ18У позволяет снизить потери металла (экономия на ВСМПО составит.до 10%. что подтверждено актом внедрения).

Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены на Первой международной конференции "Водородная обработка металлов" -В0М-95 (г.Донецк.'1995): на 1-й Международной-научно-технической, конференции по титану стран СНГ'(г.Москва, 1994); на 6-м Республиканском совещании по старению сплавов (г.Екатеринбург. 1992); на первом и Етором Российских научно-технических семинарах "Водород в металлических материалах" (г.Москва. 1993, 1994).. Публикации. По теме диссертации опубликовано И работ. Объем работа. Диссертация изложена на 200 страницах машинописного текста, включающих.60 рисунков и 12 таблиц, состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы из 123 наименований и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована "актуальность темы, работы и кратко сформулированы задачи исследования.'.

Глава 1.ВЛИЯНИЕ ВОДОРОДА И МИКРОЛЕГИРОВАНИЯ ПЕРЕХОДНЫМИ МЕТАЛЛАМИ НА СТРУКТУРНЫЕ И ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В ТИТАНОВЫХ СПЛАВАХ (АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР) • В обзоре представлены данные- о фазовых превращениях, протекающих в сплавах системы. Tl-Nbпри закалке, холодной деформации и старении; влиянии водорода на.эти.процессы на примере широкого спектра титановых сплавов. ■Рассмотрены результаты по влиянию малых добавок переходных'металлов,/ особенно иттрия, на формирование, структуры-и свойств а+р-.и . псевдо-а-сплавов. На основании проведенного анализа поставлены задачи исследования.

" Глава 2.МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ Образцы сплавов системы Tl-Nb получали сплавлением'иодидного титана (99,98%) и электролитического ниобия (99.9%) в электродуговой печи с нерасходуемым- вольфрамовым электродом в ал<юсфере очищенного гелия на медном водоохлаждаемсм поду пятикратным переплавом. Были'исследованы двойные сплавы.титана, содержащие 10. 17, 23,- 30; .'35, -38, 45, 50 мас.Шэ (последний является промышленным сплавом НТ50): Впоследствии часть этих сплавов была :гаво-

дорожена в установке Сивертса в пределах от. 0,1 до 0,65 мас.% Н. Материалом для изучения влияния добавок иттрия и других переходных металлов на структуру и фазовый состав сплавов титана были а+р-сплав состава .(в мае Л)- Т1-4.8Ш-'1.2%Мо-2,Ш-0.6%Сг-0.25%Ге с микродобавками 0,06% У (сплав 1) и 0,07% 1т (сплав 2) и псевдо-а-сплав ВТ18У состава Т1-6.5Ш-0.7%Мо-1.05ШЬ-4.0%2г -3,0%Бп-0,2%Б1 без добавок и с добавками: 2.8%У.вместо 0,7%Мо -сплав 18-1; 0,7%Сг и 0,15%НГ - сплав .18-2; 0,6%Сг и 0,03%У -сплав 18-3. Полуфабрикаты представляли собой горячекатаный 2 мм лист после вакуумного отжига 750°С.1ч. Часть листов была сварена аргоно-дуговой сваркой неплавящимся вольфрамовым электродом.

Исследование прободали комплексно с использованием методов металлографического анализа ШеорШэг-г, Ер1дапО, рентгенографии (ДРОН-ЗМ), просвечивающей электронной микроскопии ^Е0Ь-200СХ). термического анализа (Би Рог^-990) с приставками для дифференциального термического анализа (ДТА-1600) и сканирующей калориметрии (ДСК-9Ю), микродюрометрии и др. Это дало возможность получить достоверные, взаимодополняющие экспериментальные данные.

' Глава 3. ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ СПЛАВОВ ТШВ И Т1-НВ-Н ПОСЛЕ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ОБРАБОТКИ * Фазовый состав и структура Т1-Ш>-сплавов после закалки. В данном разделе проводилось детальное изучение фазового состава и морфологии структурны:; составляющих сплавов системы Т1-Шэ с концентрацией ниобия от 10. до 50 мас.% ИЬ после закалки в воду.

.-. Выявлен новый тип морфологии выделений ш-фазы в виде массивны:-: пластин размером более 100 нм. Образование такой структурь наблюдалось в сплаве Т1-23%МЬ, имеющем "критическое" содержание ниобия, при котором температуры начала р-ш-(Тш) и р-а"-превращений (М3) практически совпадают. •

Построена,зависимость изменения объемной доли метастабильньи 'фаз, , фиксируемых при закалке'(рис.1). Расчет удельных обьемоЕ образующихся фаз и анализ структуры показал, что количественное соотношение ш и а"-фаз. морфология их выделения определяется от. носительным положением температур Тш и М3 и объемными напряжениями. возникающими при Фазовых превращениях в решетке В-Фазы.

»- Работа проводилась в рамках совместных исследований с кафедрой Металловедения и технологии термической обработки КГАТ: (зав. кафедрой Ильин А.А)-

V,

_________бес. % ыь _ _ _

Рис. 1.Изменение объемной доли метастабильных фаз., фиксируемых . при закалке из р-области. в системе Т1-№.

Рис.2. Диаграмма фазового состава закаленных из ¿-области сплавов, системы -Т1-№>-Н.

• - 8 -

Присутствие охрупчивающей ю-фазы в сплавах, содержащих до 50% ИЬ, ограничивает возможность их холодной пластической деформации. Для подавления ее- ..образования и получения однофазного р-состояния при меньших концентрациях ниобия было предложено ввести в эти сплавы водород.

'Исследование превращений в системе титан-ниобий-водород в неравновесном состоянии. Изучение структуры и фазового состава закаленных сплавов с водородом методами РСФА и электронной микроскопии позволило построить метастабильную диаграмму 'П-Шэ-Н (рис.2). Установлено, что введение водорода способствует смещению концентрационных интервалов существования метастабильных фаз в область меньших концентраций ниобия и выклиниванию областей с .ш-фазой. Обнаружено образование в системе неизвестной "Х"-фазы.

С целью определения природы Х-фазы было проведено комплексное исследование сплавов Т1- (30-35) Шэ- (0-0.4) %Н методами ДСК и высокотемпературной рентгенографии 'при нагреве и охлаждении. Сравнительный, .анализ кривых ДСК сплавов'с водородом и без показал, что превращению Х-фазы соответствует низкотемпературный обратимый эффект в температурном интервале 30...100°С. Рентгенографическое исследование позволило провести расчет кристаллогео-метрии решетки Х-фазы. Установлено, что X -это фаза, обогащенная водородом, имеющая ОЦТ-решетку.. Параметр-"а" Х-фазы практически совпадает с параметром р-фазы,, а тетрагональность (с/а) уменьшается с 1,14 до .1,1 с-увеличением содержания ниобия от 17 до 35%.- Показано,' что. выделения Х-фазы формируются.. в виде пакета пластин, образование которых идет по механизму прерывистого распада. В. прилегающих к Х-фазе зонах наблюдаются области двойнико-ванного а"-мартенсита или ш-фазы. Установлено., что-образование Х-фазы в большей степени -инициируется- выделением ш-фазы, чем мартенсита. Это связано ,с меньшей" растворимостью водорода в ш. ■ ■

Исходя из данных высокотемпературной рентгенографии и структурных исследований предложена схема-распада р~фа$ы этих сплавов: . ,.-> а".(ш)

•Р /->Ро6ед (а",Ш)

. Ч->Рост /->РоОед («Н.Ь») ; .

Ч~>Ро6оГ ' •

Ч->Х ' ; , .где. ..

Ро сх-остаточная р-фаза, пересыщенная по водороду в результате. . протекания р-а"(ш)-превращения;

■ - 9 -

060г-обсгащенная по водороду р-фаза из-за расслоения Рост; Обед-обедненная по водороду р-фаза из-за расслоения Р0ст«Робог-Установлено, что образование Х-фазы может происходить при ¡ылеживании закаленных сплавов с водородом. Так,введение водо-юда позволяет непосредственно после закалки получить один .-твердый раствор в сплаве Т1-35Ж>-0,3%Н: После вылеживания при :омнатной температуре сплав приобретает р+а"+х-структуру. ■

Анализ этих данных позволил заключить, что Х-фаза является . гереходным гидридом между Т1Нг с ГЦК-реиеткой и №Н с решеткой, ¡лизкой к О ЦК. С увеличением' содержания ниобия переход ГЦК-ОЦТ-|ЦК проявляется через уменьшение тетрагонэльности решетки гидри-1зс 1.4 при описании ГЦК с помощью ОЦТ-решетки до 1 для ОЦК. ,

Эволюция структуры сплавов Т1-50%НЬ и Т1-35%НЬ-0.ЗН при хо- ' ¡одной деформации и старении. В этом разделе проводили сравнение ¡зменения структуры в промышленном сплаве НТ50 (Т1-50 мае.%ИЬ) и ■плаве . Т1-35%НЬ-0,3%Н после холодной деформации прокаткой с об-¡атиями от 10 до 99%, а также изучали.фазовые превращения, при ¡тарении глубокодеформированного сплава с водородом.

Показано, что холодная деформация сплава НТ50- осуществляется■ жольжением и интенсивное увеличение плотности дислокаций наблю-1ается при деформациях до 20%. - Увеличение степени деформации до Ш не приводит к значительному повышению количества-дислокаций ( р-матрице, которые.равномерно распределены по телу зерна и не 1бразуют ячеек. Установлено, что сплав имеет однофазное р-состо-ше после деформации с обжатиями до-50%.~ Деформация свыше 75% юпровождается появлением тяжей на. электронограммах. положение ¡отсрых' близко к рефлексам и-фазы. Такая нестабильность р-твер-юго раствора связана с деформационным разогревом и увеличением ¡оличества дефектов кристаллической структуры в ходе деформации.

Процесс холодной деформации сплава Т1-35%1№-0.3%Н изучали с ¡вумя разными исходными состояниями - с р-структурой (непосредс-•венно после закалки) и с Р+а"+х-структурой (после, вылеживания), [еформация в однофазном р-состоянии протекает аналогично дефор-. :ации сплава НТ50. В р-состоянии сплав так же пластичен, как ГГ50. и может' подвергаться.глубокой пластической деформации с >99%, в процессе которой , формируется структура, определяющая :ысокие значения критической ' плотности. тока 1с в' промышленных сверхпроводниках. В процессе вылеживания после деформации с .об-атиями до 30% р-твердый раствор испытывает.распад с,образовани-

-Ю-

ем Х-фазы. которая наследует дислокационную структуру р-фазы. Деформация свыше 99% способствует стабилизации р-твердого раствора. Сплав с многофазной структурой в процессе деформации приобретает больший наклеп, наблюдается образование полос скольжения, происходит дробление исходных колоний Х-фазы.

Проведено изучение, превращений в глубокодеформированном сплаве Т1-35%Шэ-0,.3%Н (е=9Э.3%) в:интервале температур старения 300...500°с. Установлено, что в ходе.старения, наряду с процессами выделения вторых фаз'(а, а") и формирования более совершенной дислокационной структуры. При охлаждении инициируется образование гидридной Х-фазы. . Гидриды титана и ниобия обладают низкими сверхпроводящими характеристиками, вследствие этого рекомендовано совместить процесс старения с вакуумной обработкой с целью гарантированного отсутствия выделений У-фазы.

Таким образом. . введение водорода' в Т1-ИЬ-сплавы позволяет добиться снижения содержания ниобия при сохранении высоких плас-' тических свойств, но на окончательных стадиях обработки необходимо проведение обезводораживания сплава.

Глава 4. ВЛИЯНИЕ ИТТРИЯ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА«-. ВЫСОКОПРОЧНОГО (а+Р)-ТИТАНОВОГО СПЛАВА

В главе проведен сравнительный .анализ влияния 0,06% У и 0,07% 2т на формирование фазового'состава и зеренной структуры сплава Т1-4,855А1-1.2%Мо-2.6%УЮ, 6%Сг-0,25%Ее.

Показано,1 что 'в сплаве с иттрием в. исходном .состоянии присутствуют выделения дисперсных•частиц оксида Уг03 округлой фор. мы, размером до 100 нм. Это способствует.рафинированию сплава'от кислорода и, повышению стабильности р-фазы. Цирконий' как микролегирующий элемент каким-либо особым образом себя не.проявляет.

Установлено, что при. нагреве в р-область на 50°С выше Т„.п размер зерна в сплаве с иттрием в 2.5 раза меньше, чем в'сплаве с цирконием.. Анализ данных электронной микроскопии показал,'чтс сдерживание роста зерна' в сплаве с иттрием нельзя объяснить только Наличием частиц У203. На наш взгляд, основным фактором яе ляется действие.иттрия как горофильной примеси, которая;, обогащая границы,, снижает их избыточную.энергию и тем самым ослабляет стимул к росту зерна. О том, что данное утверждение не лишенс оснований, свидетельствуют данные о поверхностной активности иттрия и результаты, полученные для "сплава ВТ18У, приведенные юш

--11 - .

Рассмотрено формирование структуры в процессе распада мета-стабильных фаз (ßM. а".а'), зафиксированных закалкой с различных температур, при старении и отпуске. Показано, что распад мета-стабильного ß-твердого раствора в исследуемых сплавах при старении в интервале 350...550°С идет с' образованием а-фазы. дисперсность которой увеличивается с уменьшением- tCI. Выбранный интервал выдержек (до 16 ч) приводит к полному распаду ß„-®a3bi при старении 550°С в течение 4 часов, при 350°С распад не заканчивается. а при 450° Q происходит практически полностью. Установлено, что распад а"- и а'-мартенсита в ходе отпуска при выдержках до 16 ч реализуется по аналогичным схемам: tH=350°C:a"(a')-a"(a')oeea+a"(<t')oöor-a"(a')()6efl+ßH: tH=4500C:al,(o')-^t"(a')oeea+a"(a')O(!or-a"(a')o6e4+ßH->ac6or+ßH; tH =550° С: а" (а')-а" (а') 0 e е д +а" (а') 0 б 0 г -а" (а') 0 6 е д *ßH 6 0 г ^-й, +ßp.

Из-за связывания кислорода иттрием 'сплавы 1 и 2 имели разную стабильность образующихся при закалке метастабильных фаз. что сказалось на кинетике процессов распада.

Проанализированы процессы формирования зеренной структуры в сварных соединениях изученных сплавов. Установлено, что значительный перегрев металла в околошовной зоне (ОШЗ) и шве сварного соединения практически снимает■эффект измельчения зерна за счет микролегирования иттрием.. Показано, что в ОШЗ это связано с'-более высокой скоростью миграции границы зерна, при высоких температурах по сравнении со-скоростью дрейфа адсорбированных на ней атомов.иттрия. В шве это происходит из-за недостатка времени для полного протекания -диффузионных процессов в ходе охлаждения.при _ сварке.. Вследствие, эт.ого границы остаются с малой концентрацией иттрия, недостаточной,для эффективного сдерживания роста.зерна.

..Изучены процессы распада метастабильного ß-твердого раствора в сварных соединениях, при температурах старения 450. .500, 550°С. Показано, что 'распад идет по гетерогенному'механизму за счет движения исходных межфазных a/ß-границ. Абсолютная величина упрочнения шва сплава с цирконием по сравнению со' сплавом с иттрием меньше. Это связано с относительно большим количеством ß-фа-зы, зафиксированной - в шве после сварки, в сплаве - с иттрием.

Таким образом установлено, что в процессе закалки, старения, сварки.наиболее сильно на структуру и свойства комплекснолетированного a+ß-сплава влияет микролегирование иттрием, который замедляет рост зерна при нагреве в "ß-область, рафинирует металл от

кислорода и вследствие этого повышает устойчивость р-твердого раствора к процессам распада по сравнению с сплавом, легированным цирконием. В то же время иттрий не может сдерживать рост зерна в ОШЗ и шве из-за отрыва адсорбированных атомов от границ.

Глава 5. ВЛИЯНИЕ , МИКРОЛЕГИРОВАНИЯ НА ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И СТРУКТУРУ СПЛАВОВ ТИПА ВТ18У В данной главе исследовано влияние одно- (V) и многокомпонентных (Сг+У, Сг+НП добавок, дающих близкий коэффициент р-ста-билизации (КР). на структуру и свойства псевдо-а-сплава'ВТ18У. В данном случае иттрий в сплаве полностью находится в твердом растворе, выделений оксида Уг03 не обнаружено.

Показано, что увеличение р-стабилизаторов в сплаве ВТ18У за • счет дополнительного легирования хромом и ванадием приводит к: 1) снижению температуры о+р^р-перехода: в сплаве ВТ18У она равна 1005°С, а в сплавах 18-1. 18-2. 18-3 -. 945°С. 955°С и 990°С соответственно; 2) увеличению количества р-фазы в структуре, и уменьшению параметра ее решетки.

Изучено влияние микролегирования на формирование зеренной и тонкой структуры при обработке по двум режимам: 1) отжиг в р-об-' ласти при 1050°С -1ч, последующая упрочняющая обработка - закалка _ 1050°С плюс старение 540°С - 5ч и окончательный отжиг при 950°С с различными выдержками - от 0,5 до 4 часов; 2) включает те же операции, что и режим 1, за исключением старения.

Установлено, что наряду с системой микролегирования на средний размер р-превращенного зерна (см.. таблицу) и микроструктуру влияет режим обработки. Операция старения'перед отжигом закаленных из р-области сплавов способствует повышению устойчивости мартенситоподобной структуры и межзеренных границ, что обеспечивает повышенный урорень прочностных .свойств. Отсутствие части1 У203 и вместе с тем меньший размер зерна в сплаве 18-3 свидетельствуют в пользу утверждения о действии иттрия как горофиль-ного.элемента, адсорбирующегося на границе и . понижающего ее энергию, о чем говорилось в главе 4.

' Средний размер В-зерна сплавов после обработки по режимам 1 и 2

■ Сплав ВТ18У 18-1 18-2_£8^2 .

Режим 1 287 мкм 292 мкм 267 мкм 98(мкм

Режим 2 360 мкм 310 мкм 320 мкм 150 мкм

Микролегирование сплава ВТ18У добавками V,- Cr, Hf, Y приводит к изменению как макро-; так и микроструктуры, что в итоге оказывает влияние на прочностные свойства. При исследованных режимах термической обработки оптимальным является микролегирование добавками Cr+Hf и Cr+Y. Первая добавка способствует измельчению внутризеренной структуры, а вторая - сдерживанию роста первичного ß-зерна и стабилизации a+ß-структуры.

Установлено, что. как и в случае с a+ß-сплавом. модифицирующий эффект от добавки иттрия пропадает в ОШЗ и шве при сварке. В то же время микродобавки активно влияют на протекание структурных превращений при охлаждении с температур сварки, "что сопровождается изменением прочностных свойств (твердости). Показано, что однокомпонентная добавка ванадия (сплав 18-3) только, растягивает температурный интервал выделения a-фазы и не приводит к упрочнению. Двухкомпонентное легирование сплава 18-2 хромом и гафнием способствует протеканию ß-a-превращения при более низких температурах, чем в сплаве ВТ18У, что обуславливает более дисперсное строение a-фазы и наибольшую твердость. В сплаве 18-3 иттрий, ■ находясь в твердом растворе, выступает как ¿-стабилизатор и способствует протеканию ß-a-превращения' в двух температурных интервалах, что приводит к упрочнению сплава. "

■ Изучено изменение структуры и свойств в ходе старения сварных соединений, в рабочем интервале температур - 550, 600, 650° С в течение 10 ч, Сравнение свойств сплавов, получаемых при старении, показало,. что двухкомпонентное микролегирование (сплавы 18-2, 18-3) предпочтительнее относительно однокомпонентного (сплав 18-1) при одинаковом Kß. .

Таким.образом,, исследование-показало ограниченность применения иттрия в качестве модификатора титановых сплавов. .Влияние иттрия на протекание фазовых превращений зависит от того в каком виде он находится в сплаве: в виде оксида или в твердом растворе.

На основании проделанной работы сделаны следующие выводы.

ВЫВОДЫ

1. Для сплавов системы-Tl-Nb" уточнены концентрационные интервалы образования метастабильных фаз после закалки из ß-облас-ти при содержании ниобия 10-50 вес.%. Установлена возможность образования массивных выделений ш-фазы в сплаве с 23.О вес.% ни-

обия. Показано, что количественное соотношение ш и а"-фаз в сплаЕах с разным содержанием ниобия определяется положением температур М„ и Тш и напряжениями, возникающими при фазовых превращениях в решетке ß-фазы.

2. Построена диаграмма фазового состава закаленных с температур р-области сплавов системы Tl-Nb-H. Показано, что введение водорода сдвигает концентрационные границы существования мета-стабильных фаз в сторону уменьшения концентрации ниобия и способствует выклиниванию области образования ш-фазы. Установлено, что обнаруженная неизвестная ранее фаза является переходным гидридом с ОЦТ-решеткой.

3. Установлено, что структура холоднодеформированного сплава Т1-35?ШЬ-0,3%Н определяется исходным фазовым составом. Деформа-

. ция в однофазном р-состоянии протекает аналогично деформации сплава НТ50. В процессе вылеживания после деформации с малыми обжатиями ß-твердый раствор • испытывает распад с образованием гидридной фазы, которая наследует дислокационную структуру р-фа-зы. Деформация с большими обжатиями способствует стабилизации ß-твердого раствора.

4. Изучены структурные и фазовые превращения, протекающие в холоднодеформированном сплаве Т1-35Шэ-0,35«Н при старении. Показано/ что для получения структурн о высоким комплексом сверхпроводящих свойств необходимо проведение старения, совмещенного с вакуумной обработкой.' '

5. Установлено, что если иттрий.связывает присутствующий в сплаве кислород в оксид Yz03. -то это приводит к повышению стабильности ß-твердого раствора. В противном случае, находясь в твердом растворе, иттрий может выступать как а-стабилизатор.■

6. Показано, что распад метастабильного р-твердого раствора в комплекснолегированноч (а+Р)-сплаве при старении в интервале 350...550°С идёт с образованием а-фазы.

Распад а'(а")-мартенсита при нагреве в.температурном интервале 350...550°С идет по схеме

а" (aJ )-а" (а') 0 6е д +а" (а')об0 (а')06ся +рн-а0 e 0 г +рн -Ор +рр При выбранных температурах нагрева реализуются следующие стадии: Чн=3500С:ан{а')-а"(а')о6ед+а"(о')с6ог-*а"(а')овед+4.-tH =450° С: а" (а') -»а" (а') о 6 е д +а" (ß') о б о г "*а" <а' о е д+Рн б о г +ßH: 1я=5500С:аи(а')^"{а')06ед+ам(а*)060г-а,Ча')06ед+рк->о06()Г+Рн-<0р+

■ - 15 -

7. Подтверждено, что введение иттрия.замедляет рост зерна при нагреве в ß ¡-область. Показано, что определяющую роль в этом случае играет внутренняя адсорбция иттрия по границам зерен, которая приводит к снижению их поверхностной энергии. Перегрев ме-. талла в околошовной зоне и шве сварного соединения снимает эффект измельчения зерна за счет микролегирования иттрием.

8. Микролегирование сплава ВГ18У добавками V, . Cr+Hf. \Cr+Y приводит к изменению как макро-, так и микроструктуры, что в итоге оказывает влияние на прочностные свойства. При исследованных режимах термической обработки оптимальным является двухком-понентное микролегирование - Cr+Hf и Cr+Y. Первая система способствует измельчению внутризеренной структуры, а вторая - сдерживанию роста первичного ß-зерна и стабилизации a+ß-структуры.

9. Введение операции предварительного старения перед отжигом закаленных из ß-области микролегированных сплавов типа ВТ18У способствует повышению устойчивости мартенситоподобной структуры ■ внутри зерна, а также большей устойчивости межзеренных границ,

, что обеспечивает повышенный уровень прочностных свойств.

Рекомендации по использованию сплавов типа ВТ18У с . микролегирующими элементами внедряются в производство на ВСМПО. Предполагаемая экономия металла от внедрения составит До, 10%.

•;, Основное содержание диссертации опубликовано в работах:. ■ 1. Исследование процессов распада метастабильных Фаз . в ■ высоколегированных^ .титановых сплавах методом дифференциальной-.сканирующей калориметрии -(ДСК)./Попов A.A.,. Пумпянский Д.А., Белогла-зов В. А.. .Илларионов, к.Г. // Термическая обработка и физика . металлов. Свердловск, .1990.. С. 77..'.82.; ,'• , -.2. Попов А.А.„ Илларионов. А.Елкина O.A. Влияние добавок иттрия и циркония на структуру, сварных'соединений ' высокопрочных Титановых сплавов //Материалы 6-го Республиканского совещания по' '.старению сплавов. Екатеринбург. 1992. С. 84.

3. Образование-новой фазы в сплавах Tl-Nb, легированных водородом /Попов A.A....Коллеров М.Ю.. Илларионов. А.Г...Голубев В.А. // Тезисы докладов 1-го Российского научно-технического- семинара "Водород в металлических материалах". Москва: МАТИ. 1933. "С.46.

4. Исследование фазовых превращений, в закаленных сплавах системы титан-ниобий /Попов A.A.. Ильин A.A., Илларионок А.Г.. Елкина O.A.. Коллеров' М. Ю. // ФММ.". 1994, Т. 78. вып.2. С.119...125.

165. Влияние водорода на фазовый состав и структуру закаленны сплавов Т1-ЫЬ / Попов A.A.. Ильин A.A.. .Коллеров М.Ю.. Илларио нов А.Г., Агаркова Е.О./лМеталлы. 1994. N5. с. 109... 117.

6. Исследование процессов старения в холоднокатаной фольг из сверхпроводящего сплава Tl-35Nb-0. ЗН / Попов А.А.. Илларис нов А.Г.. Елкина O.A.. Низовцева Н.Г.// Тезисы докладов Второг Российского научно-технического семинара "Водород в металличес ких материалах"'. Москва: МГАТУ. 1994. С..35.

7. Влияние холодной деформации на формирование структуры сплавах НТ50 и Tl-35Nb-0.3H /Попов A.A.. Илларионов А.Г.-. Колле ров М.Ю.. Низовцева Н.Г.// Тезисы докладов Второго Российског научно-технического семинара "Водород в металлических материг лах". Москва: МГАТУ, 1994. С. 39.

8. Попов A.A.. Илларионов А.Г. Хорев М.А. Влияние микролегг рования на структуру и свойства сварных соединений из титанов! сплавов// Труды 1-й Международной научно-технической конференщ по титану стран СНГ. Москва. 1994. Т.2. С.908...919.

9. Изучение фазовых превращений в системе титан - ниобий водород / Попов A.A.. Илларионов А.Г., Демаков С.Л.. Елкина 0., //Тезисы докладов Первой международной конференции "Водорода! обработка металлов" (ВОМ-95). Донецк. 1995. 4.2. с.21.

, 10. Попов А.Г. Илларионов А.Г.. Демаков С.Л. Изменение стру] туры холоднодеформированного сплава титан-21.5 ат.% ниобия-15а' водорода прй термической обработке//.Тезисы докладов Первой ме: дународной конференции/'Водородная обработка металлов" (ВОМ-95 Донецк. 1995. 4.2. С.22. ..." ■

П. О природе Х-фазы в сплавах системы Tl-Nb-Н/Попов А. А Ильин A.A., Демаков С.Л., Илларионов А.Г., Агаркова Е.О.// М таллы. 1995.' N 6. С. 52-58

Подписано в печать 31.01.96 Формат 6Ck84 I/I6

Бумага типографская Плоская печать Усд.п.л. 0,93 Уч.-нзд.л. 0,89 Тирах 100 Заказ 54 Бесплатно

Редакционно-издательский отдел УГГУ. : 620002, Екатеринбург, 7ГГУ, 6-й учебный корпус Ротапринт УГТ7. 620002,, Екатерпнбург, 7ГТ7, 8-й уч.корпус