автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Исследование влияния режимов деформации и термической обработки на структуру, фазовый состав и комплекс механических свойств нового жаропрочного титанового сплава BTIBVОП и разработка металловедческих основ производства штамповок дисков из этого плава для новых авиационных двигателей

ВСЕРОССИЙСКИЙ ИНСТИТУТ ЛЁГКИХ СПЛАВОВ

На правах рукописи Для служебного польаования

Экз.» ппо о 28

ЛЕХ Геннадий Иосифович

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕШОВ ДЕФОРМАЦИИ И ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА СТРУКТУРУ, ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И КОМПЛЕКС МЕ-ХАНИЧЕСНИХ СВОЙСТВ НОВОГО ЖАРОПРОЧНОГО ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ18УОП И РАЗРАБОТКА МЕТАЛЛОВЕДЧЕСКИХ ОСНОВ ПРОИЗВОДСТВА ШТАМПОВОК ДИСКОВ ИЗ ЭТОГО СПЛАВА ДЛЯ НОВЫХ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ.

Специальность 05.16.01

"МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 1992 год

/ . •

Специализированный Сове? ВИЛСа направляет Bau для ознакомления автореферат диссертации Леха Геннадия Иосифовича, представленный на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Работа выполнена во Всероссийской ордена Октябрьской Революция институте легких сплавов

Научный руководитель:

доктор технических ваук Г.А. Бочвар

Официальные оппоненты:

профессор, доктор технических наук С.Г. Глазунов

кандидат технических наук A.A. Гельман

Ведущее предприятие - Научно-производственное объединение

Просил Вас и сотрудников Вашего учреждения, интересующихся темой диссертации, принять участие в заседании специализированного Совета ВИЛСа или прислать свои отзывы ( 2 экз. заверенные печатью, один из них на бланке учреждения ) по адресу: 121596, Москва, Всероссийский институт легких сплавов, Ученому секретарю.

Защита диссертации состоится 23 декабря 1992 года в часов на заседании специализированного совета при ВИЛС по адресу: 121596, Москва, ул. Горбунова, 20. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан "_11_1992 года

Ученый секретарь специализированного совета

" Сатурн

и

кандидат технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Наиболее эффективным способом повышения уровня характеристик жаропрочности изделий ответственного назначения из жаропрочных титановых сплавов является разработка новых сплавов и создание технологий изготовления полуфаб--рикатов из них.

Проведенные в 1987 - 1988 годах ВИЛС и ВИА11 работы ( с участием диссертанта ) по созданию нового жаропрочного титанового сплава ВТ18У0П системы T¿ - AI -w -2R -Sn - Mo - Si, -У показали возможность получения на нем уровня длительной и кратковременной прочности при 600°С, соответственно, на 70 - 90 МПа и 150 - 200 МПа выше чем на наиболее жаропрочных отечественном серийном сплаве ВТ18У и английском сплаве IMI-829, а также сохранение высоких значений жаропрочности при температурах 650 -700°С. Применение сплава ВТ18У0П в аэрокосмичоской технике может обеспечить повышение надежности и ресурса новых изделий ответственного назначения, а также, в ряде случаев, снижение веса конструкций летательных аппаратов. Однако для решения проблемы освоения производства полуфабрикатов с требуемым комплексом свойств из этого слоднолегированного сплава, содержащего 5 % тугоплавкого вольфрама и микродобавку иттрия, потребовалось проведение большого комплекса работ, в том числе направленных на разработку металловедческих основ производства полуфабрикатов.

Целью настоящей диссертационной работы являлось исследование влияния условий деформации, режимов термической обработки, химического состава на структуру, фазовый состав и комплекс механических свойств полуфабрикатов из сплава ВТ18У0П, и использование установленных закономерностей при разработке технологии выплавки слитков и производства штамповок из этого сплава, а также определении требований по структуре и химическому составу, обеспечивающих необходимый для новых изделий авиационной техники уровень механических свойств полуфабрикатов.

В рабою были поставлены и решены следующие задачи:

1. Изучение влияния условий ( методов и режимов ) выплавки слитков на однородность их структуры, состава и механических свойств, с целью выбора оптимальной технологии производства промышленных слитков.

2. Исследование влияния химического состава сплава на структуру и механические свойства с целью выбора оптимального расчетного состава сплава и пределов его легирования.

3. Исследование влияния термомеханических параметров деформации и режимов термической обработки на структуру и механические свойства сплава с целью разработки технологии изготовления реальных полуфабрикатов с заданным комплексом механических свойств.

4. Установление закономерностей влияния структуры и фазового состава на механические свойства сплава и определение требований к структуре полуфабрикатов, обеспечивающей комплекс механических свойств полуфабрикатов, необходимый для новых изделий авиакосмической техники.

5. Изучение возможностей повышения усталостной, кратковременной прочности, износостойкости полуфабрикатов из сплава ВТ18УОП упрочняющей поверхностной лазерной обработкой.

6. Изготовление полуфабрикатов ( поковок и штамповок ) для новых изделий ( в частности для изделия "20" ) по технологиям, разработанным на основе указанных выше исследований; всестороннее исследование их качества, включая проведение натурных испытаний.

Научная новизна. Впервые систематически изучены особенности и установлены закономерности формирования структуры и фазового состава сплава ВТ18У0П в литом, деформированном и терыообработан-ном состояниях. Определена роль структурных составляющих в формировании комплекса механических свойств сплава.

Установлены математические зависимости наиболее вааных механических свойств от химического состава 'и на базе этого разработан пакет соответствующих компьютерных программ.

Установлено, что 5» структуре полуфабрикатов из сплава ВТ18У0П кроме обычных для титановых сплавов о£и _/5-фаз, могут присутствовать: ¿'-фаза, представляющая собой ОЦК-твердый раствор титана и легирующих элементов в вольфраме, ^З-^-фаза ( обедненная _/в-фаза ), мелкодисперсные частицы титан-циркониевых силицидов, частицы интерметаллидной фазы - Т 3 А1, выделения оксида иттрия (У2 °3 >•

Выявлены особенности процесса рекристаллизации сплава. Построены диаграшш рекристаллизации сплава, необходимые для разработки технологических схем изготовления полуфабрикатов с регламентированным размером ^в-зерна. На мелкодисперсных частицах, прежде всего иттриевых, происходит зарождение новых 8врен при малых степенях деформации, недостаточных для возникновения зародышей рекристаллизации на границах деформированных зерен. У сплава также выявлена повышенная склонность к текстурному торможению рекристаллизации при степенях деформации 35 - 40 % и выше и замедленный рост рекриоталлизованных зерен по сравнению с другими титановыми сплавами этого класса.

Установлены требования по типу структуры, размеру ^-зерна ( по верхнему и нижнему пределу ), внутризеренному строению в полуфабрикатах из сплава ВТ18У0П для получения наилучшего комплекса механических свойств: размер -зерна 100 -170 мкы при степени рекристаллизации 100 размер колоний первичной ©¿-фазы 15 -.40 мкм, толщина пластин первичной о^-фазы 3-4 мкм, количество первичной о^-фагы 75 - 83 толщина пластин вторичной о^-фазы 0,5 - 1,5 мкм.

Установлено, что применение упрочняющей поверхностной лазерной обработки позволяет повысить усталостную прочность полуфабрикатов из сплава ВТ18У0П на б - 10 % и кратковременную прочность при 600°С на 8 - 12 % для пластинчатой структуры, износостойкость в 2 - 3 раза.

Новизна полученных результатов подтверждается тремя авторскими свидетельствами и двумя положительными решениями о выдаче авторского свидетельства.

Практическая значимость работы. Результаты проведенных исследований использованы при разработке технологии выплавки слитков из сплава ВТ18У0П, изготовления поковок ПК291, ПК292, штамповок Т0707 с заданными структурой и механическими свойствами, режима термической обработки полуфабрикатов из сплава ВТ18У0П, а также при разработке паспорта на этот сплав, которому присвоена марка ВТ36. Технология выплавки промышленных слитков освоена на ЗЛС, выпущены ТУоп 1-809-876-89. Изготовление штамповок и поковок освоено на Чебаркульском металлургическом заводе, выпущены ТУоп 1-807-287-88 и ТУоп 1-807-288-88. Разработанный пакет компьютерных программ может быть использован для прогнозирования

и регулирования посредством корректировки расчетного химического состава комплекса механических свойств материала по химическому составу.

В 1987 - 1990 годах осуществлена поставка опытных партий поковок и штамповок для НПО "Сатурн", из которых были изготовлены детали успешно прошедшие в составе изделий стендовые испытания. Применение дисков из сплава БТ18У0П вместо никелевого, сплава для четвертой ступени КВД позволяет в 4 раза уменьшить стоимость дисков и уменьшить вес двигателя на 10 кг.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на ХУП научно-техническом совещании работников заводских лабораторий ( г. Кулебаки, 1990 год ), на научно-технических конференциях по проблемам обработки материалов ( г. Минск, ФТИ АН РБ, 1988г.; г. Москва, НИАТ, 1988 год ).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 работ. Получены три авторских свидетельства и два положительных решения на изобретения.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, б глав, выводов и списка литературы, изложенных на 150 страницах машинописного текста, содержит 106 рисунков, 21 таблицу и приложения. Список литературы содержит III литературных источников.

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Литературный обзор диссертации содержит сравнительные данные по структуре, фазовому и химическому составу, механическим свойствам отечественных и зарубежных жаропрочных титановых сплавов, особенностям сплавов систем Ii - AI - W и Ti - AI -V/ -2ft, по зависимостям механических свойств титановых сплавов от структуры. Рассмотрены основные пути повышения жаропрочности из титановых сплавов и принципы построения технологии производства полуфабрикатов с регламентированной структурой.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Металловедческое изучение качества слитков из сплава ВТ18У0П проведено на основе оценки однородности фазового и химического состава, структуры и механических свойств во взаимосвязи с опробованными способами и режимами выплавки слитков диаметром 350 мы

и весом 500 кг. Контроль однородности структуры и фазового состава проводился с использованием УЗ-контроля слитков, металлографического и электронномикроскопического методов анализа на поперечных темплетах, вырезанных из литниковой, донной и серединных зон слитков. Металлографический анализ проводился с определением среднего размера зерна и коэффициента анизотропии с последующей статистической обработкой. Испытания механических свойств проведены на хордовых образцах, вырезанных из поперечных макротемплетов от слитков.

Для оптимизации расчетного состава и пределов легирования сплава использован метод математического моделирования. Оптимизация химического состава проведена на основании исследования катаных прутков, изготовленных по одной технологии из II слитков с разным легированием. Компьютерный расчет проводился на основе статистических данных по комплексу механических свойств прутков 9-и плавок, обеспечивающих разброс по 9 элементам: Тс , А1, V/, Мо,

, Й , У , 0 с определением оптимальных пределов легирования на пластинчатой структуре с оптимальным размером зерна. Проверка достоверности полученных данных проведена на плавках не входивших в расчетную матрицу.

Исследование влияния условий деформации на структуру и комплекс механических свойств проведены по трем направлениям: на модельных цилиндрических образцах, с целью изучения влияния параметров деформации на особенности кристаллизационных процессов в сплаве, а также выработки методических подходов к разработке технологии изготовления полуфабрикатов; 2) на модельных образцах, с целью изучения технологической пластичности и деформируемости сплава, необходимых для выбора оптимальных параметров технологии изготовления полуфабрикатов; 3^ на промышленных штамповках шифров ГО "Ю6 ,Т0 707 и поковках шифров ПК 291, ПК 292 с целью разработки технологических схем изготовления полуфабрикатов и определения температуры окончательной деформации ( штамповки ), обеспечивающих в них требуемые структуру и механические свойства. Модельные цилиндрические образцы с соотношением высоты к диаметру Н/Д = 3/2 для исследования рекристаллизационных процессов и деформируемости сплава имели разные типы исходной структуры и различный размер исходного зерна. Осадка образцов проведена при температурах и ( с/ + р )-области на вертикальном исследовательском копре и прессе с разными степенями. Для исследования процесг-сов рекристаллизации после деформации производились изотермичес-

кие выдержки деформированных образцов при температуре деформации от 10 секунд до I часа. Рекомендации по деформации сплава выработаны на основе построенных диаграмм рекристаллизации, представляющих сечения объемных диаграмм: температура деформации - степень деформации - параметры структуры.

Критерии деформируемости сплава - предельная степень деформации ( до появления на боковой поверхности трещин ) и удельное усилие деформации при статических и динамических нагрувениях определены при температурах 750 - П80°С. Динамическое деформирование осуществлялось на копре со скоростью деформирования 5+7 м/с, статическое - на гидравлическом прессе усилием 25 то со скоростью деформирования \/сз;= 0,8 м/с. Для создания заданной степени деформации применены ограничительные кольца. Технологическая пластичность сплава оценивалась на основе испытаний на разрыв и удар в интервале температур 750 - П00°С. На основе полученных данных в сопоставлении с данными по серийным титановым сплавам ВТ9 и ВТ25У определялся подход к разработке технологии изготовления полуфабрикатов из сплава ВТ18У0П.

Исследование влияния температуры окончательной деформации ( при неизменности предыдущей технологической цепочки ), определяющей размер ^-зерна, степень рекристаллизации структуры, тип, однородность микроструктуры и, соответственно, свойства конечного полуфабриката проведено на штамповках дисков ТО 706 и проста-вок ТО 707 при температурах нагрева под штамповку: 940, 970, 1000, 1030, 1050, 1100, 1200°С.

Исследование структуры проведено на радиальных макротемпле-тах и на микрошлифах из разных зон штамповок. Механические свойства, изготовленных полуфабрикатов определялись в объеме: I) сдаточных испытаний на контрольных кольцах; 2) всесторонних исследований всего объема штамповки.

Изучение кинетики роста зерна на сплаве при температурах ^-области в зависимости от температуры, выдержки, скорости нагрева и охлаждения проведено на катаных прутках и темплетах о помощью установки скоростного нагрева и лабораторной печи.

Изучение структуры, фазового состава и комплекса механических свойств проводилось с помощью световых микроскопов " Метам Р-1 ", 11 Неофот-21 11 и электронного микроскопа "РЫОр^ "ЕМ-420, микроанализатора " Суперзонд " ХА-733, рентгеноструктурного анализа на дифрактометре ДРОН-ЗМ в Со К^ -излучении, монохроматизи-

рованном с помощью кристалла пиролитичвского графита, а также стандартных методов определения механических свойств при испытаниях на разрыв, удар, трещиностойкость, длительную и кратковременную прочность при 600°С, ползучесть при 600°С, многоцикловую и ыалоцикловую усталость.

Упрочняющую поверхностную лазерную обработку образцов проводили с использованием технологического COg лазера "¡Цре^-АО*-phusix " t посредством обработки заготовок на заданную глубину при мощностях 0,8-5 кВт и соотношении размера пятна обработки к шагу 4:1 с последующим изучением структуры и свойств.

При разработке технологии изготовления полуфабрикатов (штамповок ТО 706, ТО 707, поковок ПК 291, ПК 292 ) было использовано прессовое ( пресс усилием 10 тонн ) и молотовое оборудование ( молота 5, 8, 16, 25 тонн ).

Основная часть статистической, расчетной, графической обработки результатов проведена на компъютере EC-I84I операционных системах MSD05 , <^-Д0С, М86 с помощью пакетов стандартных программ " LEXICO//", "СЛОГ", "ТЕКСТ", "ДЕЛОГРАФ" и программ "METQ-RAF.BAS ", " STAT.BAS 11.

Натурные испытания дисков и проставок на разгонных стендах проведены на НПО " Сатурн 11 по действующей методике.

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ В ЛИТОМ СОСТОЯНИИ й ОПТИМИЗАЦИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА СПЛАВА

Для обеспечения высокого качества слитков из высоколегированного ( в том числе нетрадиционными для титановых сплавов элементами вольфрамом и иттрием ) сплава ВТ18У0П было изучено влияние основных параметров плавки слитков на однородность структуры, химического состава, механических свойств и наличие дефектов.

В слитках выплавленных по схеме ВДП + ВДП и режимам, принятым для серийных жаропрочных титановых сплавов типа BTI8 выявлены случаи наличия непроплавившихся включений вольфрамосодераащей лигатуры, обагащение донных частей легирующими элементами. Осуществление замедленного процесса выплавки слитков второго переплава способствует устранению лигатурных включений, но не уменьшает химическую неоднородность слитков. Гарантированное устранение лигатурных включений и повышение однородности химического состава, а вследствие этого структуры и механических свойств слитков, обеспечивается выплавкой металла по схеме ГРЭ + ВДП.

Сравнительный анализ макроструктуры слитков из сплава ВТШОП с данными по литой структуре сплава ВТЗ-1 (ВДП + ВДП, тот же диаметр ) показал, что структура слитков из сплава ВТ18У0П более мелкозернистая ( средний размер зерна в сечении ^6= 1,6-5,2 мм в зависимости от зоны слитка ), более равноосная (с/а = 1,0-2,3 ) и однородная, что обусловлено модифицирующим действием иттрия. Отличив литой микроструктуры сплава ВТ18У0П от структур других титановых сплавов этого класса заключается в наличии частиц иттриовой фазы размером 0,5 - 7 мкм и силицидов размером 0,1 - 0,2 мкм. Частицы оксида иттрия расположены в структуре незакономерно: встречаются отдельные частицы и скопления по 1-3 десятка штук. Выявлено, что количество выделений первичных силицидов уменьшается от центральной к поверхностной зоне слитка, что обусловлено различием в этих зонах скорости охлаждения металла. Изучение механических свойств сплава в литом состоянии, во взаимосвязи со структурой на хордовых к оси слитка образцах показало, что наиболее высокий уровень характеристик пластичности, ударной вязкости и трещиностойкости получен в поверхностной зоне, а наиболее низкий уровень этих характеристик вблизи осевого центра слитка, что в значительной степени определяется распределением частиц силицидов. Высокие значения КСТ =13-15 Дж/см2 получены в поверхностных зонах слитков, в то время как в центральных зонах 3-5 Дж/см2. После термообработки распределение силицидов ( при увеличении их количества ) и уровень механических свойств в поперечном сечении слитка выравнялись (КСТ=2,5-5,5 Дж/см2 ).

Оптимизация химического состава сплава проведена на основании статистических данным по механическим свойствам прутков 9 плавок с разным легированием. С помощью математического моделирования на компьютере получены зависимости механических свойств от химического состава сплава ВТ18У0П, имеющего пластинчатую ре-кристаллизованную структуру и термообработанного по оптимальному режиму:

¿1° = 584+8,7х$ А1 + 9,8х%V/ + 63,7х$2л+5,9х#&»+2,Зх%& + + ЧЪОу% 0 + 147х# Мо + 744х%У ( МПа );

<Эо°2 = 525+ 18,Зх^ А1 + + 57,7х</«2А+ 300

' + 364х% 0 + 26,7х% Мо + 725х#У ( МПа );

6= 43,2-1,9x^5 А1 - 2,7х%ь/ -0,8х?5 2«- 08,1 -35,8х# 0 - 1,9x5» Мо + У5х% У ( % );

)с'= 82,1 - 2,Зх/0 А1 - - 8,5х%2«- 1,530,2х^5ь-

- 25,3х% 0 - 0,8х% Мо + 164х%У ( % );

КС и = 49,7 - 0,5х# А1 - 2x7»^ - 4,1х%&- 3.1х%5/7- ГО.бх^Л -

- 6,1x7* 0 + 3,6x7» Мо + 47х%У ( Дк/см* ) ;

КСГ = 19,4 - 0,6х?» А1 - 1,6x7»^ -1,13х%Ей- 0,06х7»5>7-15х%.& -

- 22x7» О t 12,6x7» Мо - 56х%У ( Ди/см2 );

Сэ^00 =3 + 58,1х$5 А1 + 35х%^ + 27х%2л+ 17,6^/7+ 23-- 20х% 0 + 12,8х% Мо + 516х% У ( МПа );

^0°2/Ю0 = ~75'4 + М + 0>8х^ + 17,3х%гл+ 13,9х7^л +

' + 21,5х%,&- 75,4x7» 0 - 21,2х% Мо - 274у$У ( МПа );

^370 = ~ 789'102 + 89,4x56 А1 + 41,2х%1^ + +

+ 193,7х#.& + 15х% 0 + 13,8х% Мо - 1044x7»^ ( часы )

Через обратную патрицу полученных коэффициентов по 9 зависимостям посредством задания и корректировки граничных условий, представляющих возможные наилучшие сочетания механических свойств с помощью программы "УРАТ5НЕА/.ВЛ5 " получен оптимальный расчетный состав сплава: 6,1% А1; 5,37» 3,4%2Я; г,5%3п; 0,I%S¿ ; 0,06Г» 0 ; 0,7% Мо; 0,02% У .

На основании расчетных программ, написанных диссертантом по каждой зависимости и исходя из оптимальных составов посредством компьютерного расчета получен оптимальный интервал легирования: 5,9 - 6,5 Ъ А1; 5,0 - 5,5 7»^ ; 3,Г - 3,8 % 2* ; 2,1 - 2,9 0,06 - 0,15 0,03 - 012 % 0 ; 0,6 - 0,9 % Мо; 0,01 - 0,047» У

для комплекса механических свойств ^ 1100 МПа; (Эп°2 -1030 Ш1а; ^ 6%; 15 ?» ; КС и ± 17 Дк/см2; КСТ ^ 5 Дж/см ; б®30 ± ± 700 МПа; <э^д00 ^ 170 МПа; (¿^ ± 370 МПа. Проверка правильности полученных зависимостей механических свойств от химического состава,- на плавках не входящих в расчетную матрицу подтвердило их правильность. Аналогичным образом, расчитаннов уравнение зависимости температуры полиморфного превращения от химического состава прошло проверку по всем промышленным плавкам сплава, что явилось дополнительным подтверждением правильности метода оптимизации химического состава. Полученные данные были использованы при разработке паспорта на сплав ВТ18У0П, получившего маркировку ВТ36.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМОВ ДЕФОРМАЦИИ НА СТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

В данной главе изложены материалы по изучению технологической пластичности и деформационной способности сплава, по исследованию влияния режимов деформации на структуру и механические свойства, по влиянию температуры, скорости и выдержки при нагреве, скорости охлаждения на размер _/9-зерна, по установлению требований по типу структуры и размеру^ -зерна.

Исследование влияния режимов деформации на технологическую пластичность при испытаниях на разрыв и удар показало, что для исходной пластинчатой структуры технологическая пластичность сплава в ( о(*р )-области ниже чей у сплава ВТ25У, а в ^«области технологическая пластичность сплавов ВТ18У0П и ВТ25У - одинакова.

Изучение деформационной способности при испытаниях на сжатие цилиндрических образцов в условиях статического ( на прессе ) и динамического ( на копре ) деформирования показало, что в случае статической деформации в и (р^+^З )-области допустимая степень сжатия сплавов ВТ25У и ВТ18У0П одинакова при более высоких удельных усилиях деформирования для ВТ18У0П в )-об-ласти, в случае динамического деформирования деформационная способность сплава ВТ18У0П в ( р )-области ниже чем ВТ25У и имеет одинаковый уровень при температурах ^-области. Для деформации на копре при Т = ( Тпп - 30 )°С разовая допустимая степень деформации составляет 55% на ВТ18У0П и 70 % на ВТ25У, а в ^»области 75 - 80 % для обоих сплавов.

Изучение структуры образцов осаженных на копре при температурах 1000 - 1250°С со степенями 10 - 60 % с последующими изотермическими выдержками от нескольких секунд до I часа, с размером исходного зерна 400, 1000 и 4000 мкм позволило построить диаграммы рекристаллизации, необходимые для разработки технологических схем изготовления полуфабрикатов ( рисунок I ) с регламентированным размером ^э-зерна. В частности установлено, что для достижения полной рекристаллизации и максимального измельчения _^-зерна необходимо проводить многократную деформацию при температурах 1050 - П50°С со степенями 40 - 60 %. Выявлено, что новые зерна зарождаются не только на границах исходных деформированных зерен, но и на мелкодисперсных частицах оксида иттрия и титан-циркониевых силицидов. За счет этих частиц, прежде всего

-1100 1050 1000

Рис.1.Диаграммы рекристаллизации сплава ВТ18У0П»

Степень рекристаллизации(а), размер ревриоталлиэоваи-иого_уЗ-зерна(б), размер^-зерна при 100% степени рекристаллизации(в) в зависимости от температуры и степени деформации.

иттриевых на сплаве увеличена скорость начальных стадий рекристаллизации, но вследствие повышенной склонности к текстурному торможению рекристаллизации и медленного роста зерен при собирательной рекристаллизации замедленно ее последующее развитие-( рисунок 2 ), что увеличивает время достижения полной рекристаллизации по сравнению с серийными жаропрочными титановыми сплавами. При одинаковых режимах деформации на сплаве ВТ18У0П получена в 1,2 - 2 раза более мелкая структура по сравнению с серийными сплавами.

Проведенное изучение кинетики роста jö -зерна в зависимости от температуры, скорости и выдержки при нагреве, а также скорости охлаждения позволило установить, что применение скоростного нагрева со скоростями 10 - 300°С/с на температуры 1000 - 1200°С с изотермическими выдержками от 0,02 до 90 секунд и регламентированным охлаждением обеспечивает формирование пластинчатой полностью рекристаллизованной структуры, причем увеличение скорости нагрева способствует максимальному измельчению зерна и подавлению собирательной рекристаллизации. За счет мелкодисперсных фаз подложек и подавления собирательной рекристаллизации при скоростном нагреве может быть получен размер зерна в 2 --5 раз меньше чем на других титановых сплава^ при тех же режимах обработки, при этом температура и выдержка при нагреве и скорость охлаждения оказывают существенно меньшее влияние на размер рекристаллизован-ного зерна по сравнению с другими сплавами. Печной нагрев со скоростью 0,5 - 1,0°С/с на температуры 1000 - 1200°С с выдержками 0,1-2 часа и охлаждением со скоростями 0,05 - 50°С/с обеспечивает получение рекристаллизованного зерна в 1,5 - 2 раза мельче, чем на других титановых сплавах этого класса при тех же режимах обработки. На основании данных исследований разработаны режимы обработки позволяющие получать регламентированный размер зерна в интервале: 30 - 250 мкм при скоростном нагреве и 80 - 2000 мкм при печном нагреве.

Изучение влияния температуры окончательной деформации (штамповки) на структуру и комплекс механических свойств ( ö'f» С) S , y-, KCU , КСТ, б®30, dfgg , do°§/IOO ) штамповок дисков IX) 706 и проставок ТО 707 позволило установить, что с учетом фактора массивности штамповку необходимо проводить при температурах: ( Тпп + 70 )°С для ТО 706 (-90 кг ) и ( Тпп + 90 )°С для ТО 707 (~40 кг ); при этом в штамповках дисков обеспечивается пластинчатая структура со среднестатистическим размером зерна 135 ± 45

50

Атъл |

^100,ВТЗ-1 М00£Т18У0П

Рио.2.Схема изменения степени рекристаллизации сплавов ВТ18У0П и В33-1 в зависимости от времени выдержки.

-100 X, 400

% 90 &0 70 60

<

■

Г0706.

Г 1 Т0707

< г

-

л)

Щ

Тпп +30 +60 +90 +120 450 +2Ч0°С

Рис.3. Зависимости размера ^б-зерна(а) и степени

рекристаллизации(б) от температуры окончательна деформации(штамповки) дисков ТО 706 и проставок ТО 707.

мкм в ТО 706 и 230 + 70 мкм в ТО 707 при степени рекристаллизации 80 - 100 % ( рисунок 3 ).

На основе разработанных режимов посредством скоростного и печного нагрева осуществлена обработка партий заготовок на регламентированный размер зерна при пластинчатой рекристаллизован-ной структуре: 50, 100, 125, 150, 200, 500, 600, 1500 мкы, которые затем были термообработаны по оптимальному режиму. После испытания комплекса механических свойств с последующей графико-статистической обработкой было установлено, что оптимальное сочетание механических свойств обеспечивается при размере зерна 100 - 170 мкм ( рисунок 4 ).

Исследование поведения слитков в процессе деформации выявило их повышенную склонность к трещинообразованию, связанную с высоким уровнем внутренних напряжений. Б связи с этим охлаждение слитков при кристаллизации необходимо проводить в вакууме, а нагрев под последующую деформацию осуществлять ступенчато с загрузкой слитков в печь При температурах не выше 600 - 850°С и нагревом с печью до температуры деформации.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМОВ ТЕРМООБРАБОТКИ НА СТРУКТУРУ, ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СПЛАВА

В данной главе представлены результаты систематического изучения влияния режимов термообработки на структуру, фазовый состав и комплекс механических свойств с целью выбора оптимального режима термообработки сплава. При этом выявлены следующие особенности сплава:

1. В исходном нетермообработанном состоянии в структуре деформированных полуфабрикатов помимо Ы.- и _/Э-фаз ( 60 - 70 % мета-стабильной об-фазк ) присутствуют частицы оксида иттрия размером 0,5 - 7 мкм, первичных силицидов ( Iразмером 0,05 - 0,2 мкм. Полуфабрикаты в нетермообработанном состоянии имеют высокий уровень механических свойств, прежде всего характеристик пластичности и трещиностойкости.

2. При обработке на твёрдый раствор с последующей закалкой в воду с температур выше Тпп образуется мартенсит - о<ниже Тпп -

о(", В интервале температур обработки 800 - П00°С происходит укрупнение первичных силицидов до 0,1 - 1,0 мкм в зависимости от времени выдержки. С помощью злектронномикроскопических исследований установлено, что частицы силицидов имеют форму многогранников, а в сечениях форму близкую к ромбам и параллелограммам,

—^.мкм

Рис.4. Влияние размера ^ -зерна на механические свойетва

образцов из сплава ВТ18У0П с пластинчатой рекристал-лизованной структурой.

в то время как частицы оксидов иттрия имеют округлую форму. Изменение параметров с/-фазы в зависимости от режима обработки носит тот же характер, что и на других сплавах этого класса.

3. Термообработка сплава при температурах 700 - 800°С с выдержками 15 минут и более обеспечивает распад /> -фазы на ^ри <£*-фазы. Установлено, что <$"-фаза, повышающая жаропрочность, представляет собой ОЦК-твердый раствор титана и легирующих элементов в вольфраме с периодом решетки 3,17 - 3,18 А, а £ -¡--фаза -фазу с пониженным содержанием легирующих элементов с периодом решетки 3,24 - 3,25 А, которая распадается при последующем старении при 350 - 650°С на о(- и ^в-фазы, причем ^-фаза с увеличением выдержки медленно превращается в ¿'-фазу ( рисунки 5, б ).

4. Выявлены малая скорость распада ^-твердого раствора при старении и снижение интервала максимального снижения характеристик пластичности, ударной вязкости и трещиностойкости в сторону более высоких температур 600 - 650°С по сравнению с другими титановыми сплавами. При температурах старения 400 - 800°С выделяются вторичные силициды размером менее 0,01 мкм и частицы интерметаллидной с^фазы размером менее 200 - 500 А, снижающие пластичность, ударную вязкость и трещиностойкость. При температурах 350 - 500°С происходит образование дисперсной вторичной

об-фазы сложного строения с меньшей степенью ромбичности, обеспечивающей максимальное упрочнение сплава.

На основе проведенных исследований построены С-кривые фазовых превращений ( рисунок 5 ), а также выбрана схема термообработки, обеспечивающая высокий уровень механических свойств: ( Тпп - 30 )°С - I час - охлаждение с печью до 500°С - далее на воздухе + 600°С - 15 часов - воздух. Постадийное уточнение этой схемы с целью повышения трещиностойкости, длительной прочности и термостабильности позволило разработать режим термообработки сплава: ( Тпп - 30 )°С - 5 часов - охлаждение с печью до 730°С-I час - воздух + 500°С - 5 часов - воздух + 600°С - 15 часов -воздух. При этом внутризеренное строение характеризуется следующими параметрами: размер колоний первичной ©¿-фазы 15-40 мкм; толщина пластин первичной об-фазы 3-4 мкм, вторичной 0,51,5 мкм; количество первичной, о<тфазы 78 - 85 суммарное количество о^-фазы - 85 - 93

При изучении :влияния лазерной обработки на структуру, фазовый состав и механические свойства сплава установлено, что с по-

800 750 700 650 600 550 500 450

¿100 350 300

ы. !

у *

с/, с А, 5 / 1 «¿с ,о(г

1 V-

к, № ) \ ,о<

V, 7 * V 1 /

\

ч

( (

[ о р

1

0,25 0,5 2 Ц 16 32 № 2С 0

Рис.5. С-кривые фазовых превращений сплава ВТ18У0П

Ф 5)

Рис.6. Дифрактограымы образцов из сплава ВТ18У0П, отоасжёных при 700°С в-течении 15(а) и 64- часов(б).

мощью упрочняющей поверхностной лазерной обработки можно при оптимальной глубине зоны термического влияния (^2 мм ) повысить усталостную прочность (на 6- 10 % в зависимости от типа исходной структуры ), кратковременную прочность ( на 12 % при 600°С при исходной пластинчатой структуре ) и износостойкость ( микротвердость поверхности возрастает в 2 - 3 раза ) полуфабрикатов из сплава ВТГ8У0П; при обработке образуются: зона оплавления, которую необходимо удалять и зона термического влияния, состоящая и? областей ^- и ( о( +J> )-закалки. Изучены особенности лазерного воздействия на сплав ВТ18У0П по сравнению с серийными титановыми сплавами. Разработаны режимы лазерной обработки полуфабрикатов из сплава ВТ18У0П на заданную глубину.

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУФАБРИКАТОВ ИЗ СПЛАВА ВТ18У0П

На основе установленных закономерностей формирования структуры, фазового состава и механических свойств в зависимости от условий выплавки слитков, режимов деформации и термической обработки, опробывания выбранных с учетом этих результатов технологических схем изготовления деформированных заготовок и исследования их качества разработаны технологии изготовления поковок дисков ПК 291 и проставок ПК 292, штамповок дисков ТО 706 и проставок ТО 707, предназначенных для комплектации изделия "20" на НПО "Сатурн". На первых этапах проведено опро-бывание изготовления шайб t¡ 350 - 700 мм и высотой 60 - 120 мм с использованием молотового ( молота 5т, 8т, 16 ти 25 т) и прессового ( 10 тонн ) оборудования по разным технологическим схемам, на основе чего выбрана технологическая схема изготовления поковок на молотах, которая обеспечивает высокую однородность структуры и наилучшее сочетание механических свойств. Далее при изготовлении поковок и штамповок проведено совершенствование этой технологической схемы.

Разработанная технология изготовления полуфабрикатов из сплава ВТ18У0П предусматривает: выплавку промышленных слитков способом ГРЭ + ВДП, ступенчатый нагрев слитков на температуру 1200 - 1250°С:

а) при изготовлении поковок дисков ПК 291 и проставок ПК 292 -вытяжку слитка и рубку на мерные заготовки, обкатку заготовок, три операции осадки на плоских и рельефные бойках с суммарной

степенью деформации 75 - 88 охлаждение, нагрев на (Тпп-30)°С, осадку на рельефных бойках со степенью 30 нагрев на Ю50°С с выдержкой I час и окончательную осадку с последующим охлаждением на воздухе;

б) при изготовлении штамповок дисков ТО 706, вытяжку слитка и рубку на мерные заготовки, подогрев и обкатку заготовок, осадку на плоских бойках со степенью 40 подогрев до-1250°С, осадки на плоских и рельефных бойках с суммарной степенью 50 ¡5, охлаждение, нагрев на ( Тпп - 30 )°С, осадку плоских и рельефных бойках с суммарной степенью 47 охлаждение, обточку шайб и УЗ-контроль, нагрев шайб на ( Тпп + 70 )°С и окончательную штамповку, охлаждение на воздухе или под вентилятором, термическую

и механическую обработку;

в) при изготовлении штамповок проставок.ТО 707-переков слитка на jb 150мм за 4 нагрева ( подогрева ) и рубку на мерные заготовки, подогрев на П80°С, обкатку и осадку на плоских бойках, охлаждение, нагрев на ( Тпп - 30 )°С и осадку шайб со степенью 37 обточку и УЗ-контроль шайб, нагрев на ( Тпп + 90 )°С и окончательную штамповку, охлаждение, термическую и механическую обработку. Поковки и штамповки из сплава ВТ18У0П паспортного состава, изготовленные по разработанной технологии имеют пластинчатую преимущественно рекристаллизованную структуру ( 85 - 100 % ) с размером рекристаллизованного зерна 160 + 90 мкм. Полуфабрикаты обладают следующим комплексом механических свойств: Сэ"в =

= 1100 - 1125 Ш1а; S = 8 -12 ^ = 16 - 27 Ш =20-27 Дж/см2; КСТ = 5 - 7 Дж/см2; <э f30 = 720 - 745 МПа; (э^Ц ¿370

МПа; бо°2/ЮО " 170 Ша*

■ При изучении характеристик работоспособности установлено, что по уровню характеристик жаропрочности и сопротивления пол-зучесги полуфабрикаты из сплава ВТ18У0П, изготовленные по разработанным технологиям, на 10 - 40 % превосходят наиболее жаропрочные серийные титановые сплавы ВТ9, ВТ18У и ВТ25У при температурах 400°С и выше, уступая им по уровню характеристик трещи-ностойкости, пластичности и ударной вязкости при комнатной температуре; при повышенных температурах уровень характеристик пластичности, трещиностойкости, усталостной прочности и ударной вязкости сплава близок к уровню этих характеристик наиболее жаропрочных серийных титановых сплавов ВТ18У и ВТ25У.

В процессе разработки технологии изготовления полуфабрикатов выпущены опытные технические условия на слитки ( ТУоп 1-809-866-88 ), штамповки дисков ТО 706 ( ТУоп 1-807-287-88 ), прос-

тавок ТО 707 ( ТУоп 1-807-288-88 ). На НПО "Сатурн" поставлено 43 штамповки и поковки для комплектации изделия "20"; изготовленные из них диски и проставки успешно прошли стендовые испытания.

ВЫВОДЫ

1. На основании проведенных исследований установлены основные закономерности изменения структуры, фазового состава и механических свойств в зависимости от условий выплавки слитков, режимов последующей деформации и термической обработки нового жаропрочного титанового сплава ВТ18У0П системы li -kl-W-iR-

- 5лЧ1о- Si-Y и разработаны металловедческие основы производства штамповок и поковок из этого сплава для новых авиационных двигателей.

2. Выявлены особенности литой структуры сплава, заключающиеся в более мелкозернистом строении и меньшей протяженности зоны столбчатых кристаллов по сравнению с другими жаропрочными титановыми сплавами, а также в наличии в микроструктуре частиц оксидов иттрия, расположенных в структуре незакономерно, и силицидов, количество которых уменьшается по мере удаления от оси слитка и, соответственно, по мере увеличения скорости охлаждения металла.

3. Установлены основные закономерности влияния химического состава сплава на уровень механических свойств и температуру полиморфного превращения. С помощью программных средств определены пределы оптимального легирования: 5,9 - 6,5 % AI; 5,0-5,5% W ; 3,1 - 3,8 ; 2,1 - 2,9 %Sn; 0,6 - 0,9 % Mo, 0,06 - 0,15 %Si ; 0,03 - 0,12 % 0 . Разработан пакет программ, позволяющий прогнозирование комплекса механических-свойств полуфабрикатов и температуры полиморфного превращения по химическому составу плавки.

4. Изучение структуры образцов с размером исходного зерна 4Û0 - 4000 мкм, осаженных на копре в интервале температур 1000 -

- 1250°С со степенями деформации 10 - 60 % с последующими изотермическими выдержками от нескольких секунд до одного часа позволило построить диаграммы рекристаллизации сплава, необходимые для разработки технологических схем изготовления полуфабрикатов с регламентированным размером рекристаллизованного J5-зерна.

5. Выявлено, что новые зерна зарождаются не только на границах исходных деформированных зерен, но и в их объеме, на мел- . кодисперсных частицах оксида иттрия и силицидов. Установлено, что за счет этих частиц на сплаве ВТ18У0П увеличена скорость начальных стадий рекристаллизации, но вследствии повышенной склонности сплава к текстурному торможению рекристаллизации замедлено ее последующее развитие, что увеличивает время достижения полной рекристаллизации структуры, по сравнению с другими жаропрочными титановыми сплавами.

6. Изучены закономерности и построена диаграмма фазовых превращений в сплаве ВТ18У0П в процессе изотермической выдержки при температурах 300 - 850°С. Установлено, что в интервале температур 600 - 80Q°C происходит расслоениеß -твердого раствора на смесь двух твердых растворов и S-фаз с одновременным выделением вторичной oí-фазы, причем в интервале 700 - 800°С такое расслоение происходит практически без инкубационного периода. Определено, что ^ßj-фаза представляет собой обедненную ß -фазу, период решетки которой практически не зависит от времени выдержки при старении, а £"-фаза представляет собой ОДН-твердый раствор титана и легирующих элементов в вольфрама. Выявлено, что при выдержках в интервале температур 400 - 800°С в первичной »¿-фазе происходит образование мелкодисперсных выделений упорядоченной

о^2~Фазы» размером до 200 - 500 А. В сплаве выделяются частицы силицидов со стехиометрической формулой ( IL^Jis при обработке на твердый раствор в интервале температур 800 - П00°С (первичные) и старении при 400 - 800°С ( вторичные ). Выявлено, что частицы оксида иттрия ( Y¿ 0^ ) не претерпевают изменений при термической обработке.

7. Изучена взаимосвязь между параметрами структуры и комплексом механических свойств сплава и на основании этого определено, что наиболее предпочтительной является пластинчатая структура с размером зерна 100 - 170 мкм, размером колоний первичной сК-фазы. 15-40 мкм, толщиной пластин первичной о^-фазы 3-4

ыкм, количеством первичной о^-фазы 78 - 85 толщиной пластин вторичной о^-фазы 0,5 - 1,5 мкм, суммарным количеством о^-фазы 85 - 93 %. Такая структура обеспечивается термообработкой деформированных полуфабрикатов по режиму: ( Тпп - 30 )°С - 5 часов -охлаждение с печью до 730°С - I час - воздух + 500°С - 5 часов -воздух + 600°С - 15 часов - воздух.

8. Сравнительное изучение характеристик работоспособности

полуфабрикатов из оплава ВТ18У0П показало, что по характеристикам жаропрочности при температурах 400 - 700°С сплав превосходит на 15 - 50 % наиболее жаропрочные серийные титановые сплавы ВТ18У и ВТ25У при близком уровне усталостной прочности, терми- . ческой стабильности и несколько более низких значениях .характеристик пластичности, ударной вязкости и трещиностойкости при комнатной температуре и близком уровне этих характеристик при повышенннх температурах.

9. Показана возможность повышения усталостной .и кратковременной прочности, а также износостойкости полуфабрикатов из сплава ВТ18У0П с помощью упрочняющей поверхностной лагерной обработки. Разработаны технологические режимы и приемы такой обработки, обеспечивающие получение оптимальных размеров и структуры обрабатываемой зоны и повышение многоцикловой усталостной прочности на 40 - 50 МПа, кратковременной прочности при 600°С на 100 МПа, износостойкости в 2 - 3 раза.

10. На основании изучения качества слитков, выплавленных по различным технологическим схемам, деформируемости сплава в условиях статической и'динамической деформации, взаимосвязи между режимами деформации и параметрами структуры, фазовым составом и комплексом механических свойств разработаны технологические схемы изготовления поковок из сплава ВТ18У0П. Эти схемы предусматривают: выплавку слитков способом ГРЭ + ВДП; ступенчатый нагрев слитка до 1250°С; многопереходную деформацию при температурах однофазного ^-состояния за несколько нагревов ( подогревов ), деформационный наклеп при ( Тпп - 30 )°С, окончательную штамповку при температурах на 70 - 20°С ( в зависимости от массивности полуфабриката ) выше температуры полного перехода сплава в однофазное ^-состояние и термическую обработку по режиму, указанному в п. 7.

11. В процессе разработки технологии изготовления полуфабрикатов выпущены опытные технические условия на слитки ( ТУоп 1-809-866-88 ), штамповки дисков ТО 706 ( ТУоп 1-807-28Г7-88 ), проставок ТО 707 ( ТУоп 1-807-288-88 ). На НПО "Сатурн" поставлено 43 штамповки и поковки для комплектации изделий; изготовленные из них диски и проставки успешно прошли стендовые испытания в качестве деталей четвертой ступени КВД. Применение изделий из сплава ВТ18У0П вместо никелевого сплава позволяет снизить вес ГТД на 10 кг и уменьшить в 4 раза стоимость этих деталей.

МАТЕРИАЛЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Бочвар Г.А., Брун М.Я., Лех Г.И., Улякова Н.М,, Родионов В.Л. Исследование влияния режимов термической обработки на структуру и механические свойства нового жаропрочного титанового сплава состемы TL -AI-V-Mo-Zä -Si- Y. В книге "Проблемы металлургии легких и специальных сплавов", ВИЛО, 1991, с.370.

2. Лех Г.И., Ивашко В.В., Плющевский И.Н. Изменение зерен-ной структуры в сплаве системы У при скоростном нагреве. В сборнике "Вести Академии Наук Беларуси", Минск, 1992.

3. Коробов О.С., Лех Г.И., Улякова Н.М. Исследование фазовых превращений в сплаве системы TZ-AI-lv'-Mo-Ztf-JVi-.St-У. Статья сдана в печать,в ТЛС, 1992 г.

4. Лех Г.И., Евменов О.П., Улякова Н.М,, Листвин Г.П. Исследование влияния режимов деформации и термической обработки на структуру и уровень механических свойств полуфабрикатов из нового жаропрочного титанового сплава ВП8У0П. Тезисы докладов на ХУЛ научно-техническом совещании работников заводских лабораторий, г. Кулебаки, 1990 г.

5. Казаков В.А., Родионов В.Л., Лех Г.И., Мисник A.B., Го-лубева Е.М. Исследование структуры и свойств образцов из титановых сплавов после поверхностного лазерного упрочнения. Тезисы докладов на научно-технической конференции "Проблемы обработки поверхностей деталей машин концентрированными потоками энергии", Минск, 1988г.

6. Полькин И.С., Брун М.Я., Казаков В.А., Родионов В.Л., Лех Г.И., Мисник A.B. Повышение усталостной прочности образцов из ( oC+Jb )-т из а новых сплавов, прошедших лазерную обработку. Тезисы докладов на межотраслевом совещании "Лазерные установки и перспективы их применения в промышленности" Москва, НИАТ, 1988 год.

7. Авторские свидетельства № 1482237, 1535063, 1593225 и положительные решения о выдаче авторских свидетельств на заявки 4922692/02 от 28.03.91 и 4946796/02 от 25.03.92.